Electrospinning, un método de fabricación de nanofibras, puede producir cerámica de nanómetros a micrómetros de diámetro, polímero, y fibras metálicas de diversas composiciones para un amplio espectro de aplicaciones:ingeniería de tejidos, filtración, pilas de combustible y baterías de litio. Estos materiales tienen propiedades únicas debido a su morfología de alta relación de aspecto y gran área de superficie.

Sin embargo, su desarrollo ha sido en gran parte por ensayo y error, lo que dificulta la reproducción confiable en entornos industriales. Este desafío surge de la falta de comprensión de la dinámica subyacente durante el proceso, que involucra más de 10 parámetros de control.

El Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) está eliminando las conjeturas del electrohilado al aprovechar su conjunto único de capacidades para construir una base de datos que correlacione los parámetros de la máquina de electrohilado con las propiedades de las nanofibras. La suite permitirá a las empresas diseñar materiales optimizados para aplicaciones específicas a la máxima velocidad, al mismo tiempo que hace posible la retroalimentación y el control en tiempo real en la planta de fabricación.

La instalación avanzada de electrohilado es parte del esfuerzo de ingeniería y ciencia de fabricación avanzada de Argonne para acelerar el desarrollo de materiales y los procesos de fabricación mediante el desarrollo de tecnologías de plataforma aumentadas con sistemas informáticos y de diagnóstico de última generación. Esta combinación permite la ciencia predictiva que reduce los costosos prototipos de prueba y error. El proyecto está financiado por el programa de investigación y desarrollo dirigido por laboratorios de fabricación (LDRD) de Argonne.

Argonne se encuentra en una posición única para avanzar en la tecnología de electrohilado debido a una combinación de experiencia en el desarrollo y escalado de materiales, junto con las capacidades de diagnóstico únicas disponibles en Advanced Photon Source (APS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE y la fuente de rayos X de sincrotrón de mayor energía del país.

Los investigadores, dirigido por el científico de materiales de Argonne, Yuepeng Zhang, están realizando mediciones de rayos X in situ en la línea de luz 12 ID-B en el APS. Las mediciones capturan estructuras en tiempo real, información física y química de las nanofibras a medida que se forman y cambian durante el procesamiento, Facilitar la correlación con los parámetros de procesamiento (p. ej., Voltaje, distancia de trabajo y viscosidad precursora).

Zhang dice:"Las mediciones proporcionan, por primera vez, una comprensión sistemática de los procesos de hilado y recocido para controlar y mejorar el rendimiento del producto".

El siguiente paso es ingresar los datos de rayos X en algoritmos de aprendizaje automático que se ejecutan en instalaciones informáticas de alto rendimiento en Argonne. Estos cálculos optimizarán aún más la velocidad, reducir los defectos de material, predecir propiedades novedosas y eliminar los costosos prototipos de prueba y error.

La capacidad de electrohilado también se puede adaptar para su uso con procesos de fabricación de rollo a rollo (que implican el procesamiento continuo de un sustrato flexible a medida que se transfiere entre dos rollos de material en movimiento) para acelerar la comercialización y reducir los costos. Argonne está demostrando el concepto de rollo a rollo y su primera aplicación mediante la producción de electrolitos de estado sólido LLZO de gran superficie para aplicaciones de almacenamiento de energía.

La industria puede colaborar con expertos de Argonne para desarrollar procesos de electrohilado para sus materiales existentes, así como colaborar en materiales y diseños nuevos o emergentes (compuestos), incluyendo scaleup.