Les maillages fabriqués à partir de fibres de diamètres nanométriques ont un large éventail d'applications potentielles, dont l'ingénierie tissulaire, filtration de l'eau, cellules solaires, et même un gilet pare-balles. Mais leur commercialisation a été entravée par des techniques de fabrication inefficaces.

Dans le dernier numéro de la revue Nanotechnologie , Des chercheurs du MIT décrivent un nouveau dispositif pour produire des mailles de nanofibres, qui correspond au taux de production et à l'efficacité énergétique de son prédécesseur le plus performant, mais réduit considérablement la variation des diamètres des fibres, une considération importante dans la plupart des applications.

Mais alors que l'appareil précédent, du même groupe MIT, a été gravé dans le silicium par un processus complexe qui nécessitait une « salle blanche », " le nouvel appareil a été construit à l'aide d'un 3 $, 500 imprimantes 3D commerciales. Les travaux pointent ainsi vers une fabrication de nanofibres non seulement plus fiable mais aussi beaucoup moins chère.

Le nouveau dispositif consiste en un ensemble de petites buses à travers lesquelles un fluide contenant des particules d'un polymère est pompé. En tant que tel, c'est ce qu'on appelle un dispositif microfluidique.

"Mon opinion personnelle est que dans les prochaines années, personne ne va faire de la microfluidique en salle blanche, " dit Luis Fernando Velásquez-García, chercheur principal au Microsystems Technology Laboratories du MIT et auteur principal du nouvel article. "Il n'y a aucune raison de le faire. L'impression 3D est une technologie qui peut le faire tellement mieux - avec un meilleur choix de matériaux, avec la possibilité de vraiment faire la structure que vous aimeriez faire. Quand tu vas en salle blanche, plusieurs fois, vous sacrifiez la géométrie que vous souhaitez créer. Et le deuxième problème, c'est que c'est incroyablement cher."

Velásquez-García est rejoint sur le papier par deux post-doctorants de son groupe, Erika García-López et Daniel Olvera-Trejo. Tous deux ont obtenu leur doctorat du Tecnológico de Monterrey au Mexique et ont travaillé avec Velásquez-García dans le cadre du partenariat de recherche en nanotechnologie du MIT et du Tecnológico de Monterrey.

Évidée

Les nanofibres sont utiles pour toute application qui bénéficie d'un rapport surface/volume élevé, comme les cellules solaires, 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, tels que les filtres à eau, ou qui sont remarquablement résistants pour leur poids, tels que les gilets pare-balles.

La plupart de ces applications dépendent de fibres de diamètres réguliers. « La performance des fibres dépend fortement de leur diamètre, " Velásquez-García dit. "Si vous avez un écart important, ce que cela signifie vraiment, c'est que seuls quelques pour cent fonctionnent vraiment. Exemple :Vous avez un filtre, et le filtre a des pores entre 50 nanomètres et 1 micron. C'est vraiment un filtre de 1 micron."

Parce que le premier appareil du groupe était gravé dans du silicium, il était "alimenté à l'extérieur, " ce qui signifie qu'un champ électrique a attiré une solution de polymère sur les côtés des émetteurs individuels. Le flux de fluide était régulé par des colonnes rectangulaires gravées sur les côtés des émetteurs, mais il était encore assez erratique pour donner des fibres de diamètre irrégulier.

Les nouveaux émetteurs, par contre, sont « alimentés en interne » :ils sont percés de trous, et la pression hydraulique pousse le fluide dans les alésages jusqu'à ce qu'ils soient remplis. Ce n'est qu'alors qu'un champ électrique attire le fluide dans de minuscules fibres.

Sous les émetteurs, les canaux qui alimentent les alésages sont enroulés en bobines, et ils se rétrécissent progressivement sur toute leur longueur. Cette conicité est essentielle pour réguler le diamètre des nanofibres, et il serait pratiquement impossible à réaliser avec des techniques de microfabrication en salle blanche. "La microfabrication est vraiment destinée à faire des coupes droites, " dit Velásquez-García.

Itération rapide

Dans le nouvel appareil, les buses sont disposées en deux rangées, qui sont légèrement décalés les uns par rapport aux autres. C'est parce que l'appareil a été conçu pour démontrer des nanofibres alignées, des nanofibres qui préservent leur position relative lorsqu'elles sont collectées par un tambour rotatif. Les nanofibres alignées sont particulièrement utiles dans certaines applications, tels que les échafaudages en tissu. Pour les applications dans lesquelles les fibres non alignées sont adéquates, les buses pourraient être disposées en grille, augmentation du taux de sortie.

Outre la flexibilité des coûts et de la conception, Velásquez-García dit, un autre avantage de l'impression 3D est la possibilité de tester et de réviser rapidement les conceptions. Avec les appareils microfabriqués de son groupe, il dit, il faut généralement deux ans pour passer d'une modélisation théorique à un article publié, et en attendant, lui et ses collègues pourraient peut-être tester deux ou trois variantes de leur conception de base. Avec le nouvel appareil, il dit, le processus a duré près d'un an, et ils ont pu tester 70 itérations de la conception.

"Un moyen de concevoir de manière déterministe la position et la taille des fibres électrofilées vous permet de commencer à penser à pouvoir contrôler les propriétés mécaniques des matériaux fabriqués à partir de ces fibres. Cela vous permet de penser à la croissance cellulaire préférentielle le long de directions particulières dans les fibres —beaucoup de bonnes opportunités potentielles là-bas, " dit Mark Allen, le professeur Alfred Fitler Moore à l'Université de Pennsylvanie, avec des postes conjoints en génie électrique et des systèmes et génie mécanique et mécanique appliquée. "Je prévois que quelqu'un va prendre cette technologie et l'utiliser de manière très créative. Si vous avez besoin de ce type de réseau de fibre à ingénierie déterministe, Je pense que c'est une manière très élégante d'atteindre cet objectif."