Инженеры из Университета штата Северная Каролина модифицировали известную методику изготовления нановолокон, значительно увеличив скорость их выработки (кое-что об этом мы уже писали).

Процесс формирования волокон диаметром ~100–1 000 нм из полимерных растворов принято называть электропрядением. В конструкции обычной установки для «прядения» выделяются насос, который обеспечивает равномерную подачу жидкости к проводящей игле, собирающая пластина и высоковольтный источник, создающий поле в промежутке между кончиком иглы и пластиной. Раствор, контактирующий с металлической иглой, заряжается, а введённые в него заряды ускоряются электрическим полем и вовлекают в движение окружающее вещество, вследствие чего жидкость равномерно ускоряется и вытягивается в тонкую струю. В межэлектродном зазоре растворитель частично испаряется, и струя превращается в волокно, которое осаждается на пластине и создаёт пористый слой.

Рис. 1. Схема обычной установки для электропрядения. В опытах американцев рабочее расстояние составляло 15 см, а подаваемое напряжение равнялось 11 кВ. (Здесь и далее иллюстрации из журнала Nanotechnology).

Получаемые таким способом **наноструктурированные волокнистые материалы ** прекрасно подходят для захватывания и удаления твёрдых частиц из жидкостей и газов. Если при электропрядении расходовать биосовместимые и поддающиеся биологическому разложению полимеры, можно создать аналог внеклеточного матрикса, который находит применение в тканевой инженерии. Известны и перспективные проекты использования нановолокон в устройствах накопления энергии.

Описанная выше экономичная, удобная и надёжная методика электропрядения адаптирована для лабораторных исследований. Промышленное производство нановолокон на её основе не построишь, так как она даёт малый объём выработки (~0,01–0,1 г/ч).

Авторы попробовали изменить конструкцию установки так, чтобы её производительность стала как можно более высокой. С этой целью иглу с насосом заменили обычной алюминиевой чашкой диаметром в 9 и глубиной в 0,9 см с тонкими 0,3-миллиметровыми стенками, в которую заливался подготовленный полимерный раствор. Место собирающей пластины занял полый алюминиевый цилиндр диаметром в 39 и высотой в 37 см.

Рис. 2. В верхнем ряду даны схемы усовершенствованной установки (вид сбоку в разрезе и вид сверху). В нижнем ряду слева расположен снимок 37 струй, одновременно производящих нановолокно из полиэтиленоксида, а справа — график изменения напряжения.

Основная серия опытов была проведена с использованием раствора полиэтиленоксида в деионизированной воде. Как оказалось, при кратковременной подаче высокого напряжения (55 кВ) от источника на краю чашки самопроизвольно образуется целый ряд струй, почти равномерно распределённых по её окружности. Примерно через 20 секунд экспериментаторы понижали напряжение до рабочего (16 кВ), и формирование новых струй прекращалось, а появившиеся ранее оставались квазиустойчивыми; после этого начиналось собственно электропрядение.

Несложно понять, что увеличенное до нескольких десятков число участков электропрядения, одновременно действующих на краю чашки, резко повышает выработку нановолокон. Согласно расчётам, две версии установки отличаются друг от друга по производительности в ~40 раз при сопоставимых качестве и диаметре нановолокон. Аналогичные результаты дали опыты с раствором поликапролактона в дихлорметане и диметилформамиде.

В ближайшем будущем инженеры планируют усложнить установку — добавить устройство для поддержания заданного уровня полимерной жидкости в чашке. Эта модификация и дальнейшая оптимизация рабочих параметров должны ещё увеличить производительность.

Рис. 3. Сравнение нановолокон из полиэтиленоксида (верхний ряд) и поликапролактона, полученных на обычной (левый столбец) и усовершенствованной установке. Очевидно, что модификация методики не отражается на качестве волокон.

Результаты исследований опубликованы в статье журнала Nanotechnology.