Une micrographie électronique à balayage des nouveaux émetteurs en microfibre, montrant les tableaux de colonnes rectangulaires gravées dans leurs côtés.
Les nanofibres (filaments polymères de quelques centaines de nanomètres de diamètre seulement) ont une vaste gamme d'applications potentielles, des cellules solaires à la filtration de l'eau en passant par les piles à combustible. Mais si loin, leur coût de fabrication élevé les a relégués à quelques industries de niche.
Dans le dernier numéro de la revue Nanotechnologie , Des chercheurs du MIT décrivent une nouvelle technique de production de nanofibres qui multiplie par quatre le taux de production tout en réduisant la consommation d'énergie de plus de 90 %. offrant la perspective de bon marché, production efficace de nanofibres.
"Nous avons démontré un moyen systématique de produire des nanofibres par électrofilage qui surpasse l'état de l'art, " dit Luis Fernando Velásquez-García, chercheur principal dans les laboratoires de technologie des microsystèmes du MIT, qui a dirigé le nouveau travail. "Mais la façon dont cela est fait ouvre une possibilité très intéressante. Notre groupe et de nombreux autres groupes travaillent pour pousser plus loin l'impression 3D, pour permettre l'impression de composants transducteurs, qui actionnent, qui échangent de l'énergie entre différents domaines, comme le solaire à électrique ou mécanique. Nous avons quelque chose qui s'intègre naturellement dans cette image. Nous avons un ensemble d'émetteurs qui peut être considéré comme une imprimante matricielle, où vous seriez en mesure de contrôler individuellement chaque émetteur pour imprimer des dépôts de nanofibres."
Conte enchevêtré
Les nanofibres sont utiles pour toute application qui bénéficie d'un rapport surface/volume élevé :cellules solaires, par exemple, qui essaient de maximiser l'exposition au soleil, ou électrodes de pile à combustible, qui catalysent des réactions à leur surface. Les nanofibres peuvent également donner des matériaux qui ne sont perméables qu'à de très petites échelles, comme les filtres à eau, ou qui sont remarquablement résistants pour leur poids, comme un gilet pare-balles.
Une micrographie électronique à balayage des nouveaux émetteurs en microfibre, montrant les tableaux de colonnes rectangulaires gravées dans leurs côtés.
La technique standard de fabrication des nanofibres est appelée électrofilage, et il existe en deux variétés. En premier, une solution de polymère est pompée à travers une petite buse, puis un fort champ électrique l'étire. Le processus est lent, cependant, et le nombre de buses par unité de surface est limité par la taille de l'hydraulique de la pompe.
L'autre approche consiste à appliquer une tension entre un tambour rotatif recouvert de cônes métalliques et une électrode collectrice. Les cônes sont trempés dans une solution de polymère, et le champ électrique fait voyager la solution jusqu'au sommet des cônes, où il est émis vers l'électrode sous forme de fibre. Cette approche est erratique, cependant, et produit des fibres de longueurs inégales; il nécessite également des tensions allant jusqu'à 100, 000 volts.
Penser petit
Velásquez-García et ses co-auteurs—Philip Ponce de Leon, un ancien étudiant à la maîtrise en génie mécanique; Françoise Colline, un ancien post-doctorant dans le groupe de Velásquez-García qui est maintenant à KLA-Tencor; et Eric Heubel, un post-doctorat en cours - adapter la seconde approche, mais à plus petite échelle, en utilisant des techniques courantes dans la fabrication de systèmes microélectromécaniques pour produire des réseaux denses de minuscules émetteurs. La petite taille des émetteurs réduit la tension nécessaire pour les piloter et permet de les regrouper davantage, augmentation du taux de production.
À la fois, une texture granuleuse gravée sur les côtés des émetteurs régule la vitesse à laquelle le fluide s'écoule vers leurs extrémités, produisant des fibres uniformes même à des cadences de fabrication élevées. "Nous avons fait toutes sortes d'expériences, et tous montrent que l'émission est uniforme, " dit Velásquez-García.
Pour construire leurs émetteurs, Velásquez-García et ses collègues utilisent une technique appelée gravure ionique réactive profonde. Sur chaque face d'une plaquette de silicium, ils gravent des réseaux denses de minuscules colonnes rectangulaires - des dizaines de micromètres de diamètre - qui réguleront le flux de fluide sur les côtés des émetteurs. Ensuite, ils ont découpé des motifs en dents de scie dans la plaquette. Les dents de scie sont montées verticalement, et leurs bases sont immergées dans une solution d'eau déminéralisée, éthanol, et un polymère dissous.
Lorsqu'une électrode est montée à l'opposé des dents de scie et qu'une tension est appliquée entre elles, le mélange eau-éthanol s'écoule vers le haut, traînant des chaînes de polymère avec elle. L'eau et l'éthanol se dissolvent rapidement, laisser un enchevêtrement de filaments polymères en face de chaque émetteur, sur l'électrode.
Les chercheurs ont pu emballer 225 émetteurs, quelques millimètres de long, sur une puce carrée d'environ 35 millimètres de côté. A la tension relativement basse de 8, 000 volts, cet appareil a produit quatre fois plus de fibres par unité de surface que les meilleurs appareils d'électrofilage du commerce.
Le travail est "un moyen élégant et créatif de démontrer la forte capacité des processus de fabrication traditionnels de MEMS [microelectromechanical-systems] vers la nanofabrication parallèle, " dit Reza Ghodssi, professeur de génie électrique à l'Université du Maryland. Par rapport à d'autres approches, il ajoute, il y a "un potentiel accru de l'étendre tout en maintenant l'intégrité et la précision par lesquelles la méthode de traitement est appliquée".
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
