Разработан метод получения сверхтонких полимерных нитей, для которого не требуется дорогое и сложное оборудование.

Исследователи из Университета Джорджии (University of Georgia, GA, USA) в сотрудничестве с коллегами из Принстона и Оксфорда разработали новый метод получения сверхтонких полимерных нитей – нановолокон. Результаты опубликованы в журнале Advanced Materials, подана заявка на патент.

Рисунки а–d показывают принцип магнетоспиннига. На фотографиях e–f, сделанных при помощи электронного микроскопа, показаны полученные нановолокона. На фотографиях g–h показаны ~2500 нановолокон, полученных за 5 минут при скорости вращения магнита 500 об/м

Новый метод, получивший название магнетоспининг (от английского spinning – прядение, вытягивание нити) очень прост в использовании и позволяет получить большие объемы нановолокон в тысячи раз тоньше волоса, которые могут быть использованы для создания новых материалов. Нетканые материалы на основе нановолокон имеют широкие перспективы, в частности, для изготовления фильтров, а в медицине для выращивания новых органов, тестирования лекарственных препаратов и доставки лекарств к очагам инфекций в теле человека.

Сделанные при помощи электронного микроскопа фотографии полученных нановолокон и их характерные размеры

Суть метода заключается в том, что раствор полимера смешивается с магнитными частицами, например, оксида железа, и подается через шприц каплями к магниту, зафиксированному на вращающейся подставке, частота вращения которой может регулироваться от 5 до 5000 оборотов в минуту. В момент подачи капли магнит расположен на максимальном удалении. Когда магнит приближается к капле, она притягивается к нему. Магнит продолжает вращаться, формируя жидкий полимерный мостик между магнитом и иглой. Диаметр мостика постепенно уменьшается до нанометровых размеров, растворитель испаряется и формируется нановолокно. При частоте вращения магнита более 1000 оборотов в минуту за 5 минут можно произвести более 50 километров нановолокона. Этот простой процесс позволяет получить нановолокна высокого качества.

В настоящее время самый популярный метод для получений нановолокон – электроспиннинг, в котором волокна вытягивают из раствора полимера при помощи высокого напряжения. Главный недостаток этого способа в том, что он не позволяет работать с растворами полимеров с малой диэлектрической проницаемостью, например, тефлона. Кроме того, он достаточно дорог. Стоимость прибора для электроспиннинга начинается с 10 000 долларов, в то время как систему для магнетоспиннига можно построить, используя магнит за 5 долларов, простой электромотор за 30 долларов и шприц.

«Метод, который мы разработали, делает возможным получение высококачественных нановолокон без использования дорогого оборудования, – отмечают авторы статьи. – Этот метод позволяет не только уменьшить стоимость производства волокон, но и дает возможность для университетов и компаний экспериментировать с нановолокнами без больших затрат на исследования». Отметим также, что работа с высокими напряжениями всегда несёт в себе опасность.

Новый метод может быть использован для изготовления нановолокон и водоотталкивающих поверхностей из тефлона, получения пористых и композитных нановолокон. Кроме того, было установлено, что полученные с помощью магнетоспиннинга нановолокна не токсичны для клеток и могут быть использованы для выращивания искусственных органов.

Любопытно, что электроспиннинг известен уже более 100 лет, с 1887 года, а первые патенты на него были выданы в США в 1902 году. Правда, тогда он был ориентирован на текстильную промышленность. Свой вклад в развитие этой технологии внесла и наша страна. В 1938 году на ее основе будущий академик И.В. Петрянов-Соколов разработал так называемые «фильтры Петрянова», которые использовались, в частности, в противогазах и в атомной промышленности. Новый всплеск работ по этой тематике начался с начала 1990-х годов, когда была показана применимость метода ко многим органическим полимерам и начали развиваться нанотехнологии. С тех пор число работ по данной теме растет в геометрической прогрессии с каждым годом.

Автор: Александр Токарев