Las mallas hechas de fibras con diámetros de escala nanométrica tienen una amplia gama de aplicaciones potenciales, incluida la ingeniería de tejidos, filtración de agua, células solares, e incluso chalecos antibalas. Pero su comercialización se ha visto obstaculizada por técnicas de fabricación ineficaces.

En el último número de la revista Nanotecnología , Los investigadores del MIT describen un nuevo dispositivo para producir mallas de nanofibras, que coincide con la tasa de producción y la eficiencia energética de su predecesor de mejor rendimiento, pero reduce significativamente la variación en los diámetros de las fibras, una consideración importante en la mayoría de las aplicaciones.

Pero mientras que el dispositivo predecesor, del mismo grupo del MIT, se grabó en silicio a través de un proceso complejo que requería una "sala limpia, "el nuevo dispositivo se construyó con $ 3, Impresora 3D comercial 500. El trabajo apunta así hacia una fabricación de nanofibras que no solo es más confiable sino también mucho más barata.

El nuevo dispositivo consta de una serie de pequeñas boquillas a través de las cuales se bombea un fluido que contiene partículas de un polímero. Como tal, es lo que se conoce como dispositivo de microfluidos.

"Mi opinión personal es que en los próximos años, nadie va a hacer microfluidos en la sala limpia, "dice Luis Fernando Velásquez-García, científico investigador principal en los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas del MIT y autor principal del nuevo artículo. "No hay ninguna razón para hacerlo. La impresión 3D es una tecnología que puede hacerlo mucho mejor, con una mejor elección de materiales, con la posibilidad de hacer realmente la estructura que le gustaría hacer. Cuando vas a la sala limpia, muchas veces sacrificas la geometría que quieres hacer. Y el segundo problema es que es increíblemente caro ".

Velásquez-García está acompañado en el papel por dos postdoctorados en su grupo, Erika García-López y Daniel Olvera-Trejo. Ambos recibieron su doctorado del Tecnológico de Monterrey en México y trabajaron con Velásquez-García a través de la asociación de investigación en nanotecnología del MIT y el Tecnológico de Monterrey.

Ahuecado

Las nanofibras son útiles para cualquier aplicación que se beneficie de una alta proporción de área de superficie a volumen, como células solares, que intentan maximizar la exposición a la luz solar, o electrodos de pila de combustible, que catalizan reacciones en sus superficies. Las nanofibras también pueden producir materiales que son permeables solo a escalas muy pequeñas, como filtros de agua, o que sean notablemente resistentes para su peso, como una armadura corporal.

La mayoría de estas aplicaciones dependen de fibras con diámetros regulares. "El rendimiento de las fibras depende en gran medida de su diámetro, ", Dice Velásquez-García." Si tiene una diferencia significativa, lo que eso realmente significa es que solo un pequeño porcentaje está realmente funcionando. Ejemplo:tienes un filtro, y el filtro tiene poros entre 50 nanómetros y 1 micra. Eso es realmente un filtro de 1 micrón ".

Debido a que el dispositivo anterior del grupo estaba grabado en silicio, fue "alimentado externamente, "lo que significa que un campo eléctrico atrajo una solución de polímero a los lados de los emisores individuales. El flujo de fluido fue regulado por columnas rectangulares grabadas en los lados de los emisores, pero todavía era lo suficientemente errático como para producir fibras de diámetro irregular.

Los nuevos emisores, por el contrario, son "alimentados internamente":tienen agujeros perforados a través de ellos, y la presión hidráulica empuja el fluido hacia los orificios hasta que se llenan. Solo entonces un campo eléctrico extrae el fluido en pequeñas fibras.

Debajo de los emisores, los canales que alimentan los orificios se envuelven en bobinas, y gradualmente se van estrechando a lo largo de su longitud. Ese cono es clave para regular el diámetro de las nanofibras, y sería prácticamente imposible de lograr con técnicas de microfabricación de salas blancas. "La microfabricación está destinada a realizar cortes rectos, "Dice Velásquez-García.

Iteración rápida

En el nuevo dispositivo, las boquillas están dispuestas en dos filas, que están ligeramente desplazados entre sí. Esto se debe a que el dispositivo fue diseñado para demostrar nanofibras alineadas, nanofibras que conservan su posición relativa cuando son recolectadas por un tambor giratorio. Las nanofibras alineadas son particularmente útiles en algunas aplicaciones, como andamios de tejido. Para aplicaciones en las que las fibras no alineadas son adecuadas, las boquillas podrían estar dispuestas en cuadrícula, aumento de la tasa de producción.

Además de la flexibilidad de costes y diseño, Velásquez-García dice, Otra ventaja de la impresión 3D es la capacidad de probar y revisar diseños rápidamente. Con los dispositivos microfabricados de su grupo, él dice, Por lo general, se necesitan dos años para pasar de un modelo teórico a un artículo publicado, y en el ínterin, él y sus colegas podrían probar dos o tres variaciones de su diseño básico. Con el nuevo dispositivo, él dice, el proceso tomó cerca de un año, y pudieron probar 70 iteraciones del diseño.

"Una forma de diseñar de manera determinista la posición y el tamaño de las fibras electrohiladas le permite comenzar a pensar en la posibilidad de controlar las propiedades mecánicas de los materiales que están hechos de estas fibras. Le permite pensar en el crecimiento celular preferencial a lo largo de direcciones particulares en las fibras. —Muchas buenas oportunidades potenciales allí, "dice Mark Allen, el profesor Alfred Fitler Moore de la Universidad de Pennsylvania, con nombramientos conjuntos en ingeniería eléctrica y de sistemas e ingeniería mecánica y mecánica aplicada. "Anticipo que alguien tomará esta tecnología y la utilizará de formas muy creativas. Si tiene la necesidad de este tipo de red de fibra diseñada de forma determinista, Creo que es una forma muy elegante de lograr ese objetivo ".