加州大學伯克利分校創建有序納米纖維 (2006-04-21)
發布時間:2007-12-04
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據加州大學伯克利分校網站2006年4月12日報道,經過整整72年時間,科學家們總算能夠成功使用電場將聚合物紡成細小的纖維。但仍然有一個問題存在:如同蠕蟲不會停止蠕動一樣,這些細小的纖維幾乎在剛剛紡出來時就纏繞在了一起。
現在,來自加利福尼亞大學伯克利分校的研究人員們發現了一種方法,通過使用電場作用以一種徑直的、連續的、可操控的方式來制造納米纖維。這種方法使得生產出新型的、特殊的納米纖維材料成為可能,這些材料可被用于創傷敷料、濾篩以及生物支架。伯克利分校的科學家們的研究結果將發表在四月號的《納米通訊》期刊上。該期雜志已于4月12日發行。
靜電紡絲技術早在1934年就被申請了專利,當時科學家們就已經學會了如何通過一個注射器使混有溶劑的聚合物噴射出連續的細絲束,并噴射到準備好的電場中。隨著溶劑的蒸發,電場中的電力開始拉伸聚合物,漸漸把聚合物拉成長長的鞭狀細絲纖維,由于電場的作用,使得這些纖維在充滿電的屏幕上以相隔10-30厘米的距離纏結。
到了上個世紀九十年代中期,由于納米技術的出現,重新點燃了科學家們使用靜電紡絲技術的熱情。從那個時候起,科學家們已經將超過100種的合成聚合物和自然聚合物紡成了細絲纖維,這些纖維的直徑從數十納米到幾微米(1微米等于千分之一毫米,1納米等于千分之一微米,1納米又相當于10個原子并列的長度)不等。直到目前,最接近的將靜電紡織出來的纖維矯直的過程是,在纖維制造出來后就用一個類似于線軸的裝置將它們纏繞起來。
中國廈門大學機電工程系教授孫道恒(音)加入加州大學伯克利分校學者研究項目的林教授的實驗室已經有兩年時間了,2004年他剛來的時候就開始尋找合適的研究項目。孫教授和伯克利分校機械工程學的林教授共同想到了靜電紡絲技術,于是他們合作試著使用靜電紡織工藝制造出有序排列的纖維。
林教授說:“我本人一直在從事納米技術方面的研究,但對于靜電紡絲技術卻從未涉足。在這一領域我們完全是門外漢,所以我們也沒有任何有預見性的想法。我們只是去嘗試別人沒有想到過的東西。最后發現,我們嘗試的東西效果很好。”
在他們的創新過程中,他們用一種徑直的、可操控的方式制造出了直徑在50-500納米的纖維,這些纖維被放在了一個搜集盤子中。談到關于縮短注射器和搜集點之間的距離時,研究小組給這一新的工藝命名為“近場靜電紡絲技術”。林教授說:“傳統的靜電紡織技術是一種隨意,紊亂的工藝。我們的突破在于我們能十分精確地控制納米纖維的定位和沉淀。”孫教授和林教授的方法同傳統的靜電紡織技術主要有四個方面的不同:
第一,取代傳統的將聚合物溶劑通過注射器噴射纖維細絲進入電場的方法,他們使用了一種細尖的鎢電極,就像鋼筆蘸墨水一樣蘸取溶劑。然后將電極置于搜集盤上方,對點擊加電壓,由此產生電場并將聚合物滴到電極的尖端開始靜電紡絲的過程。這一方法使得研究小組在聚合物離開電極時能夠縮小其絲束最初的直徑,這一直徑要比用傳統的注射器產生的纖維直徑要小的多。
第二,研究人員削減了聚合物在電場中通過的距離,將原來10-30厘米的距離減少到了1.5-3毫米之間。這可以幫助研究人員利用在靜電紡絲過程開始后聚合物簡短的穩定瞬間。就好比噴氣發動機在燃料耗盡之間維持的最后一絲正常噴束,之后產生的噴氣就會顯得雜亂無章。產生的纖維在進入電場后只能維持很短時間的筆直狀態。在孫和林教授的近場技術中,在纖維出現紊亂前就把其捕獲了。
第三,縮短的距離還意味著可以將所需的電壓從30000伏特降低到600伏特。因為電場中的電壓強度是由其中分割的距離決定的,距離越短就越能夠使用更少的電壓維持相同強度的電場。
最后,與傳統的使用固定的屏幕獲取纖維的方式不同,孫和林教授使用可調整位置和速度的盤子來接產生的纖維束。這使得研究人員能像縫紉機針線隨機設計圖案一樣將纖維捕獲到盤子中。
林教授說,他預見到這一新工藝的兩個可能的直接應用方向。其中之一就是設計應用,這種應用要求納米纖維的精確沉淀,比如制造用于生物測量的納米傳感器??葡萄糖監測儀。另一個應用就是對給定樣式的非紡織技術,這方面有很多應用,如活細胞的生物支架。近場靜電紡絲技術還可以在納米平板印刷中得到應用,用于制造下一代的微芯片。但林教授還提醒說,這需要更多的開發努力。他目前正著手對近場靜電紡絲技術進行兩方面的改進:可提供連續聚合物供應的電極和更好的控制捕獲纖維所需的移動平臺。
伯克利學者研究項目是由唐家族基金會建立的一個秘密資助項目。這一項目的目標在于,通過加強最好的學者之間的合作關系,特別是中國剛開始他們的事業的學者和伯克利分校內已經有所建樹的科研帶頭人之間的聯系,以提高全球范圍內科學和技術方面的標準。孫的項目由新加坡的李氏基金會贊助。