Het ontwerpen van willekeurige nanovezelnetwerken, geoptimaliseerd voor sterkte en taaiheid

In de natuur zijn willekeurige vezelnetwerken zoals sommige weefsels in het menselijk lichaam sterk en taai met het vermogen om bij elkaar te houden, maar strekken ze ook veel uit voordat ze falen. Het bestuderen van deze structurele willekeur – dat de natuur zo moeiteloos lijkt te repliceren – is extreem moeilijk in het lab en is nog moeilijker te reproduceren in technische toepassingen.

Onlangs hebben onderzoekers van het Grainger College of Engineering, University of Illinois Urbana-Champaign en het Rensselaer Polytechnic Institute een methode bedacht om herhaaldelijk willekeurige polymeer nanovezelnetwerken met gewenste kenmerken te drukken en computersimulaties te gebruiken om de willekeurige netwerkkenmerken af ​​te stemmen voor verbeterde kracht en hardheid.

“Dit is een grote sprong om te begrijpen hoe nanovezelnetwerken zich gedragen,” zei Ioannis Chasiotis, een professor aan de afdeling Aerospace Engineering. “Nu, voor het eerst kunnen we willekeur reproduceren met gewenste onderliggende structurele parameters in het lab, en met het begeleidende computermodel kunnen we de netwerkstructuur optimaliseren om de netwerkparameters te vinden, zoals nanovezel dichtheid, die gelijktijdig hogere netwerksterkte, stijfheid en hardheid produceren.”

De groep van Chasiotis bestudeert hoe nanovezels zich al meer dan 20 jaar mechanisch gedragen.

“Om je een perspectief te geven op de grootte waarmee we werken, was de diameter van elke nanovezel in het netwerk ongeveer 300 keer kleiner dan het menselijk haar,” zei Chasiotis. “Deze kleine diameter geeft speciale mechanische eigenschappen aan polymeernanovezels die niet mogelijk zijn voor polymeervezels met grote diameters.”

Hij zei dat ze al begrepen wat een enkele nanovezel sterker, stijver en moeilijker maakt, maar toen ze werden gecombineerd om niet-geweven materialen te creëren, dragen die eigenschappen niet op een directe manier. Dat is wat ertoe leidde dat dit onderzoek zich richtte op hoe nanovezels omgaan als ze samenkomen als een netwerk.

Zijn Ph.D. Student, Hyongju Lee, werkte in het lab om nanovezelnetwerken van praktische grootte van de volgorde van centimeters af te drukken via een methode genaamd Near-Field Electrospinning. Chasiotis zei dat de student de elektrospinmethode van bijna-veld niet heeft uitgevonden, maar het apparaat heeft gebouwd en de methode voor grootschalige monsters heeft laten werken, waarbij ook een nieuwe methodologie werd ontwikkeld om de nanovezelnetwerken mechanisch te testen, terwijl het ook het modelleringsteam van het modelleringsteam van Rensselaer Polytechnic Institute de invoergegevens de exacte structuur van de gedrukte netwerken in hun computermodellen biedt.

Nu het computermodel echte invoergegevens heeft, kan het worden gebruikt om complexere nanovezelnetwerken te simuleren met behulp van parameters die moeilijk te produceren zijn in het laboratorium of voorspellingen doen voor productieschaal nanovezelnetwerken gemaakt door conventionele elektrospinning. Het onderzoek is gepubliceerd in het dagboek Zachte materie.

“Dus we hebben bijvoorbeeld al willekeurige netwerken met 500 tot 5.000 nanovezels getest, maar we willen weten wat er gebeurt als we miljoenen vezels hebben,” zei Chasiotis.

“Experimenteel in het laboratorium zouden miljoenen nanovezels heel lang duren om af te drukken door elektrospinning in de buurt, maar het is zeer snel om te draaien met behulp van conventionele elektrospinning die al wordt gebruikt voor massaproductie in de industrie. Het model kan extrapoleren wat er zal gebeuren onder verschillende parameters, zoals het aantal nanofibers, hoe dichtbij ze zijn en hoe vaak ze elkaar kruisen.”

Om het nanovezelnetwerk of mesh met elektrospinning in de buurt te creëren, werd een polymeeroplossing één druppel tegelijk gebruikt terwijl hij uit een fijne naald werd geëxtrudeerd, die het praktisch op een met goud gecoate siliciumwafer trok met een zeer hoge spanning. Elke plaats waar de ene nanovezel de andere overstak werd verbonden met warmtebehandeling.

Om hun eigenschappen te bestuderen, moesten de nanovezelnetwerken van het afzettingsoppervlak worden opgeheven, zei een taak die Chasiotis met zich meebracht.

“We hebben waarschijnlijk zes maanden besteed aan het leren hoe de testmonsters vrij te laten blijven,” zei hij. “We moesten ze van het afzettingsoppervlak tillen terwijl we nog steeds nat zijn zonder ze te beschadigen. We behandelden het afzettingoppervlak om glad te worden, zodat we de nanovezelnetwerken konden tillen. We moesten ook de krimp in onze gedrukte netwerken beoordelen en vertalen in cijfers die de modelers in het model konden verklaren. Dat is wanneer het experiment en het model begon te convergeren.”