الیاف نانو Nanofiber چیست؟

دسته: مقالات منتشر شده در 26 خرداد 1399
نوشته شده توسط Admin بازدید: 2271

الیاف نانو به چه موادی گفته می شود؟

الیاف نانو به دسته‌ای از فیبرها گفته می شود که دارای سایز متفاوتی در اندازه نانو می باشند و این الیاف می‌توانند از انواعی از پلیمرها گرفته شوند و این درحالی است که خواص و کاربردهای بسیار متفاوتی دارند. مثال هایی از پلیمرهای طبیعی شامل کلاژن، سلولز، کراتین، ژلاتین و پلی ساکارید هایی همانند چیتوسان و آلجینات میشوند. نمونه پلیمر های ترکیبی شامل این موارد میشوند:

· پلی لاکتیک اسید

· پلی کاپرولاکتون

· پلی‌اورتان

· (poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA

· (poly(ethylene-co-vinylacetate) (PEVA

· (poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV)

 

 زنجیره های پلیمری از طریق پیوند های کووالانسی به یکدیگر متصل شده و قطر الیاف نانو نیز با توجه به نوع پلیمر کاربردی و روش تولید متفاوت خواهد بود اما تمامی پلیمر های الیاف نانو از خواص بسیار ویژه ای همانند نسبت سطح به حجم بالا، سوراخ های بسیار زیاد، استحکام مکانیکی مطلوب و انعطاف‌ پذیری در عملکرد برخوردارند که همین ویژگی ها آنها را متمایز می کند و این در حالی است که آنها را با رقبای خود یعنی الیاف میکرو مقایسه می کنیم. تولید الیاف نانو به کمک روش های بسیار متفاوتی انجام می گیرد که از آن جمله می‌توان الکتروریسی، کشیدگی، خود ساماندهی و سنتز قالب و همچنین جدا سازی فاز به کمک گرما را نام برد. الکتروریسی رایج ترین روشی است که به منظور تولید الیاف نانو به کار برده می شود زیرا انجام آن بسیار ساده می باشد و می تواند انواعی از الیاف نانوی پیوسته را در حجم بالا و از پلیمرهای بسیار متفاوتی تولید کند. از ویژگی های روش یاد شده می توان به توانایی تولید الیاف بسیار نازک با قطر های قابل کنترل، ترکیبات و همچنین جهت ‌گیری‌های متناسب به اشاره کرد. این انعطاف پذیری باعث می شود تا امکان کنترل شکل و چیدمان الیاف به گونه‌ای فراهم شود که ساختارهای متفاوت بتوانند با توجه به نیازمندی های محصول نهایی شکل بگیرند. با استفاده از روش‌های نوین فراوری ذوب که برای تولید حجیم صنعتی نیز مناسب می باشند دانشمندان و مهندسان توانسته اند تا الیاف نانو را با قطر ۳۶ نانومتر تولید کنند که در واقع الیاف بسیار نازکی به حساب می آیند. همانطور که پیش از این نیز یاد شد، الیاف نانو از مصارف تجاری و فناوری محور بسیار متفاوتی برخوردارند و برای مهندسی بافت، انتقال دارو، تشخیص سرطان، باتری‌های لیتیوم -هوا، سنسورهای نوری و همچنین فیلتر سازی هوا به کار برده می شوند.

 

تاریخچه الیاف نانو

الیاف نانو بیش از چهار قرن پیش و برای اولین بار توسط روشهای الکتروریسی به وجود آمدند و پس از آغاز توسعه چنین روشی یک فیزیکدان انگلیسی با نام ویلیام گیلبرت متوجه شد نوع جاذبه الکترواستاتیک بین مایعات وجود دارد و این کار را از طریق آزمایش انجام داد. در این آزمایش وی یک قطره از آب را به روی یک سطح خشک در داخل یک ظرف مخروطی شکل ریخت که در واقع زیر یک کهربایی قرار داده شده بود که دارای بار الکتریکی بود. در سال ۱۸۸۲ فیزیکدان انگلیسی با نام Lord Rayleigh وضعیت ناپایدار قطره های کوچک مایع را مورد بررسی و تحلیل قرار داد که دارای بار الکتریکی بودند و متوجه شد که که با ایجاد تعادل بین تنش سطحی و نیروی الکترواستاتیک قطرات آب به صورت مایعات فواره مانند از ظرف خارج می شود. در سال ۱۸۸۷ فیزیکدان بریتانیایی متنی را درباره توسعه و تولید الیاف نانو منتشر کرد و در سال ۱۹۰۱ مخترع آمریکایی توانست اولین حق اختراع را برای روش الکتروریسی به دست آورد. آنتون فرم هالس اولین کسی بود که توانست بین سال‌های ۱۹۳۴ تا ۱۹۴۴ موفق به تولید الیاف نانو شود و اولین اختراع خود را چاپ نموده و درباره روش تجربی تولید الیاف نانو توضیح داد. هارولد سیمونز هم در سال ۱۹۶۶ دستگاهی را اختراع کرد که به کمک آن توانست انواعی از الیاف نانوی سبک و نازک را با طراحی های بسیار گوناگون تولید نماید. تنها در اواخر قرن بیستم بود که واژه الکتروریسی و الیاف نانو به شهرت بیشتری در میان دانشمندان و محققین دست پیدا کرده و روش الکتروریسی امروزه نیز همچنان در حال توسعه می باشد.

 

از چه روش هایی به منظور سنتز الیاف نانو استفاده میشود؟

 

الکتروریسی

الکتروریسی به عنوان رایج ترین روشی شناخته می شود که از آن به منظور تولید الیاف نانو استفاده می‌شود و اجزای اصلی که در این روش به کار برده می شوند شامل یک تامین کننده ولتاژ بالا، یک لوله نازک به همراه یک سوزن با قطر کم و یک صفحه گردآوری کننده فلزی می باشد. یک الکترود در داخل محلول پلیمری قرار داده میشود و الکترود دیگر نیز به گردآوری کننده متصل می شود و یک میدان مغناطیسی نیز به انتهای لوله نازک وارد می‌شود که شامل محلول پلیمری می‌شود. نیروی وارد شده نوعی بار الکتریکی را به روی سطح مایع ایجاد می کند. محلول پلیمری بدون بار حالت ناپایدار داشته و در عین حال بسیار باریک می‌شود و باعث می‌شود تا مایعات خارج شده نیز بسیار نازک شوند. الیاف پلیمری دارای بار با تبخیر محلول حالتی جامد پیدا می کنند و الیاف نانویی که به صورت تصادفی در کنار یکدیگر قرار گرفته اند بر روی بخش گردآوری کننده جمع آوری می شوند. روش الکتروریسی می‌تواند انواعی از پلیمرها را به الیاف نانو تبدیل کند و یکی از فیبر های نانو که توسط این روش ساخته شده است شبیه ماتریکس خارج سلولی می باشد. این تشابه در روش الکتروریسی خود یکی از مزیت های بزرگ آن به شمار می‌آید زیرا امکان ایجاد الیافی با قطر مشابهی را به وجود می آورد که در روش ماتریس های خارج سلولی نیز دیده می‌شود. از سایر خواص این الیاف می‌توان به تعداد سوراخ های بالا و همچنین ویژگی های مکانیکی اشاره کرد. روش الکتروریسی همچنان در حال توسعه و پیشرفت می باشد تا بتواند الیاف نانو بلندی را به صورت تکی و در حجم بالا تولید نمایند.

 

جداسازی فاز به کمک حرارت

روش جداسازی فاز حرارتی یک محلول پلیمری را به یک سیستم چند فازه و از طریق تغییرات ترمودینامیک تبدیل می‌کند و چنین فرایندی شامل ۵ مرحله مختلف است که عبارتند از: انحلال پلیمری در جداسازی مایع و مایع یا مایع جامد، ژلاتین سازی پلیمر، خروج محلول از ژل به وجود آمده با آب و منجمد سازی و در مرحله آخر نیز منجمد سازی و خشک سازی در فضای خلا صورت می گیرد. محلول پلیمری همگن در مرحله اول از نظر گرمایی وضعیت ناپایداری دارد و می‌تواند به فازهای غنی از پلیمر و فازهای بدون پلیمر در دمای متناسب تقسیم شود. پس از آن محلول از بین می‌رود و حالت جامد پیدا می‌کند تا در نهایت ساختار اصلی را به وجود بیاورد و فاز دیگر به سوراخهایی در داخل آن تبدیل می‌شود. پس از آن دو نوع از جداسازی فاز را میتوان به روی محلول پلیمری با توجه به الگوی مورد نظر انجام داد. جداسازی مایع از مایع معمولاً به منظور تولید ساختارهایی با فازهای پیوسته از دو طرف انجام می گیرند و این درحالی است که جداسازی فاز های جامد برای تولید ساختار بلورین به کار برده می شود. مرحله ژلاتینه سازی نیز نقش مهمی در کنترل انواع سوراخ ها و حفره های به وجود آمده در ساختار اصلی الیاف نانو ایفا می‌کند و از عواملی مانند دما، میزان غلظت پلیمر و خواص محلول اثر می‌پذیرد. دما به خوبی قادر است تا ساختار شبکه الیاف را تنظیم نماید و دمای پایین ژلاتین سازی منجر به ایجاد شبکه‌هایی با اندازه نانو خواهد شد و این درحالیست که دمای ژلاتین سازی بالا انواعی از ساختارهای صفحه مانند را به وجود می آورد. غلظت ماده پلیمری می تواند بر خواص الیاف موثر باشد زیرا افزایش غلظت ماده پلیمری میزان حفره‌های موجود را کاهش داده و استحکام مکانیکی را همانند استحکام کششی بهبود می بخشد. همچنین خواص محلول بر ویژگی‌های ظاهری حفره ها موثرند.

 

کشیدگی

کشیدگی انواعی از رشته های تکی بلندی را از الیاف نانو در هر زمان به صورت جداگانه تولید می‌کند و فرآیند کشش به همراه مستحکم سازی انجام می گیرد که باعث می شود تا مواد روزن رانی شده و حل شده را به الیاف جامد تبدیل کنند. روش روزن رانی ذوب به مرحله خنک سازی و در مرحله روزن رانی خشک به مرحله تبخیر نیاز مبرمی دارد.

 

سنتز قالب

در این روش از قالبی با لایه‌های سوراخ دار نانو استفاده می‌شود که می‌توانند فیبریل یا فیبرهای نانوی جامد و همچنین فیبرهای نانوی تهی را به وجود آورند. با این روش امکان تولید انواعی از الیاف نانوی تهی و جامد وجود دارد همانند فلزات نیمه رسانا و پلیمرهایی که امکان رسانایی برق را دارند. حفره های واحد و یکپارچه در این ماده باعث می‌شوند تا کنترل ابعاد الیاف انجام شود و این به گونه‌ای است که الیاف نانو با قطر بسیار کم می توانند از طریق این روش ساخته شوند اما یکی از محدودیت‌های این روش در این مورد خلاصه می شود که نمی توان به کمک آن الیاف نانوی بلند را به صورت جداگانه تولید نمود.

 

خود ساماندهی

از روش خود ساماندهی به منظور تولید الیاف نانوی پپتید و آمفیفیل های پپتید استفاده می شود. فرآیند خود ساماندهی الیاف نانویی پپتید شامل انواعی از عاملهای متفاوت می‌شود همانند برهم کنش های آب ترس، نیروی الکترواستاتیک، پیوندهای هیدروژنی و نیروهای واندروالس و علاوه بر آن شرایط خارجی همانند استحکام یونی و pH می‌توانند بر این روش موثر باشند.

مترجم: ف.آل احمد