Elektrovērpšana

Elektrovērpšana ir metode ar kuru tiek iegūti nanodiegi. Šī metode tiek balstīta uz augstsprieguma radīto elektrisko spēku, kura ietekmē notiek nandodiegu vilkšanas process no šķīduma. Iegūto diegu diametrs var būt plašā diapozonā — zem 100 vai virs 1000 nm. Iegūtais diametrs ir atkarīgs no iekārtas uzstādītajiem parametriem. Iegūto nanodiegu īpašības ir viegli modificējamas, tāpēc tiem ir plašs pielietojumu klāsts dažādās jomās, piemēram, medīcīnā, apģērbu ražošanā, filtros un citur.^[1]

Elektrovērpšanas iekārta, nanodiegu iegūšana

Metodes princips

Attēls 1 Elektrovērpšanas iekārtas uzbūve un komponentes

Attēls 2 Teilora konuss

Elektrovērpšanas iekārtai ir vienkārša uzbūve, tā sastāv no trīs galvenājām komponentēm: no sprieguma avota, šķīduma padošanas sistēmas un nanodiegu kolektora (Attēls1). Sprieguma pozitīvais pols tiek pieslēgts pie šķīduma padošanas sistēmas un negatīvais pols tiek pieslēgts pie kolektora. Starp diviem poliem veidojās elektrikais lauks, kura ietekmē, uzlādētais šķīdums tiek virzīts no šķīduma padošanas sistēmas uz kolektoru. Procesa laikā šķīdums izkārtojās Teilora konusa formā (Attēls 2).

Iekārtas komponentes

Lai notiktu elektrovērpšanas process ir nepieciešams līdzspriegums ar augstām vērtībām, tipiski, robežās no 5 līdz 20 kV. Kā šķīduma padošanas sistēma tiek izmantota šprice, kurai ir nepieciešams spiedošais mehānisms, kas var būt, piemēram, soļu motors, kas savienots ar šprici, vai kāda pneimatiskā sistēma. Izmantojot šķīdumus, kuri taisīti ar viegli gaistošiem šķīdinātājiem, var būt nepieciešams izmantot koaksiālu šprici, kas neļauj šķīdumam priekšlaicīgi sacietēt. Kā sistēmas kolektors var tikt izmantots stacionārs mērķis vai arī rotējoš rullis. Rotējošā ruļļa uzstādīšana var būt sarežģīta, taču tā nodrošina sakārtotu, paralēlu nanodiegu izkārtojumu uz parauga, pretēji stacionāram mērķim, uz kura veidojās haotiski diegu tīkli. Haotiskais tīklu izkārtojums var apgrūtināt nanodiegu īpašību noteikšanu.

Nanodiegu īpašību modificēšana

Šķīdumi

Iegūto nanodiegu īpašības nosaka iekārtas parametri un izmantotais šķīdums. Ir dažādas iespējas, kā mainīt šķīduma īpašības, kas varētu nodrošināt vēlamos rezultātus. Šķīduma īpašības ietekmē iegūto nanodiegu izmērus un tās var ietekmēt nepieciešamos iekārtas parametrus. Izmantojot šķīdumu ar augstāku viskozitāti, tiek iegūti nanodiegi ar lielāku diametru un mazāk ieslēgumiem. Ieslēgumi ir lokāli reģioni nanodiegos, kuri atšķirās no pārējā nanodiega un tie var ietekmēt rezultējošās īpašības. Palielinot polimēru koncentrāciju vai molekulāro svaru palielinās nanodiegu diametrs un samazinās ieslēgumu daudzums. Šķīdumiem ar lielāku vadītspēju samazinās nanodiegu diametrs.

Piejaukumi

Papildus nanodiegu īpašības var ietekmēt ar dažādiem piejaukumiem un aktīvajiem materiāliem. Izgatavojot šķīdumu var uzlabot nanodiegu elektriskās īpašības, samazinot to elektrisko pretestību. Viens no šiem piejaukumiem ir PEDOT:PSS (poli(3, 4-etilēndioksitiofēna) polistirēna sulfonāts), kura ietekmē izmainās arī Zēbeka koeficients un termoelektriskās īpašības.^[2]

Iekārtas parametri

Ir trīs galvenie iekārtas parametri: spriegums, attālums starp kolektoru un šķīduma padošanas sistēmu un šķīduma padošanas ātrums. Palielinot spriegumu samazinās nanodiegu diametrs. Ir nepieciešams optimāls attālums starp kolektoru un padošanas sistēmu, kurā šķīdinātājs paspēj izžūt. Pie augstiem šķīduma padošanas ātrumiem ir novērojami ieslēgumi un nanodiegu diametru palielināšanās. Izmantojot rotējošo kolektoru ir svarīgs rotācijas ātrums, kas var ietekmēt nanodiegu sakārtojumu. Iegūtos nanodiegus ietekmē arī apkārtējie apstākļi — gaisa mitrums un temperatūra. Lai veiksmīgi iegūtu nanodiegus ir nepieciešams atrast optimālo kombināciju starp iekārtas parametriem un šķīduma īpašībām. Izmantojot neatbilstošus parametrus un šķīdumus var notikt “electrospraying” process, kurā veidojās nevis nanodiegi, bet notiek kolektora krāsošana ar smalka izmēra pilieniem.

Nanodiegu īpašību noteikšana

Attēls 3 Ar SEM uzņemts nanodiega attēls

Lai raksturotu nanodiegu ģeomteriskos izmērus — savstarpējo izkārtojumu un diametru — tiek izmantota skenējošā elektronu mikroskopija (Attēls 3). Ar to var noteikt arī ieslēgumu daudzumu nanodiegus un citu aktīvo nanodaļiņu izkārtošanos diegos. Lai noteiktu nanodiegu īpatnējās elektriskās pretestības ir nepieciešams izmantot sīkstruktūras elektrodus, uz kuriem ir virzīti nanodiegi saskaitāmā daudzumā.

Nanodiegu pielietojumi

Nanodiegu plašo pielietojumu klāstu nodrošina to viegli modificējamās īpašības, augstā tilpuma un virsmas laukuma attiecība, porainā uzbūve un mehāniskā izturība. Nanodiegus ir iespējams iegūt dažādās formās un to izgatavošanai ir nepieciešams neliels daudzums izejmateriālu, taču iegūt nanodiegus lielos daudzumos ir apgrūtinoši un tam ir nepieciešams meklēt risinājumus, piemēram, ir iespējams izmantot vairākas šprices vienlaicīgi, kas paātrina nanodiegu iegūšanas procesu.

Audu inženierija, medicīna

Nanodiegus pielieto audu inženierijā, kurā var tikt nodrošināta audu uzturēšana un to funkciju uzlabošana. Nanodiegi var tikt izmantoti kā pārsēji brūču dzīšanai. Tie var kalpot kā baktēriju barjera. Tie var uzsūkt liekos bioloģiskos šķidrumus un tie var nodrošināt brūces vēdināšanos un pietiekamu ūdens tvaiku caurlaidību. Nanodiegu pārsēji nepielīp pie brūcēm, tos noņemt ir viegli un nesāpīgi. Kā arī šo pārsēju izgatavošana nav dārga. Nanodiegus izmanto arī kosmētikā, piemēram, maskas priekš ādas dzīšanas vai attīrīšanas.^[3]^[1]

Filtri

Nanodiegi ir izmantoti kā gaisa filtri jau vairāk nekā 10 gadu garumā. To viegli modificējamās īpašības un savstarpējā struktūra, dod iespēju pielāgot filtru pie daļiņām, kuras nepieciešams filtrēt. Nanodiegu materiāliem piemīt augsta filtrēšanas efektivitāte, to virsmas laukuma un tilpuma attiecības dēļ. Tiem piemīt arī augsta adhēzija starp filtru un daļiņām. Nanodiegu filtrus ir iespējams elektrostatiski uzlādēt, ietekmējot to filtrēšanas īpašības.^[4]^[1]

Sensori

Iepriekš minētās īpašības ļauj izmantot nanodiegus kā sensorus, kurus ir iespējams izgatavot mazos mērogos ar labu jūtīgumu uz apkārtējo vidi. Tie dod iespēju detektēt gāzes un citas substances nelielās koncentrācijās.^[5]^[1]

Apģērbs

Nanodiegus var izmantot aizsargapģērbu izgatavošanā. Tie nodrošina elpojošu slāni, kas vienlaicīgi spēj veikt filtrēšanas funkcijas, aizsargājot lietotāju no dažādiem kaitīgiem aerosoliem.^[1]

Enerģijas uzkrāšana un novadīšana

Nanodiegiem ir arī potenciālie pielietojumi enerģijas ģenerācijā. Tos var izmantot elektrostatiskajai izkliedei, aizsardzībai pret koroziju, ekranēsanai pret elektromagnētiskajiem traucējumiem, fotoelementu ierīcēs un mazu izmēru elektroierīcēs. Tos var izmantot kompaktu batereju izgatavošanā.^[6]^[7]^[1]

Atsauces

↑ ^1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 ^1,4 ^1,5 "Electrospinning: A fascinating fiber fabrication technique" (en). Biotechnology Advances 28 (3): 325–347. 2010-05-01. doi:10.1016/j.biotechadv.2010.01.004. ISSN 0734-9750.
↑ Institute of Solid State Physics University of Latvia, ABSTRACTS of the 36 th Scientific Conference, Characterisation of electrospunned PEDOT:PSS containing nanofiber Oskars Bitmets, Kaspars Pudzs, Andrejs Tokmakovs, Karlis Kundzins
↑ GEN Staff Writer. «Nanofiber Dressings Promote Skin Regeneration and Wound Healing». GEN - Genetic Engineering and Biotechnology News (en-US), 2018-03-19. Skatīts: 2021-04-27.
↑ Malloy, James; Quintana, Alberto; Jensen, Christopher J.; Liu, Kai (2021-04-14). "Efficient and Robust Metallic Nanowire Foams for Deep Submicrometer Particulate Filtration". Nano Letters 21 (7): 2968–2974. doi:10.1021/acs.nanolett.1c00050. ISSN 1530-6984.
↑ "Nanowire-based gas sensors" (en). Sensors and Actuators B: Chemical 177: 178–195. 2013-02-01. doi:10.1016/j.snb.2012.10.134. ISSN 0925-4005.
↑ "Cerium molybdate nanowires for active corrosion protection of aluminium alloys" (en). Corrosion Science 58: 41–51. 2012-05-01. doi:10.1016/j.corsci.2012.01.012. ISSN 0010-938X.
↑ "W3Nb14O44 nanowires: Ultrastable lithium storage anode materials for advanced rechargeable batteries" (en). Energy Storage Materials 16: 535–544. 2019-01-01. doi:10.1016/j.ensm.2018.09.008. ISSN 2405-8297.

[:0-1] 1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 ^1,4 ^1,5 "Electrospinning: A fascinating fiber fabrication technique" (en). Biotechnology Advances 28 (3): 325–347. 2010-05-01. doi:10.1016/j.biotechadv.2010.01.004. ISSN 0734-9750.

[2] Institute of Solid State Physics University of Latvia, ABSTRACTS of the 36 th Scientific Conference, Characterisation of electrospunned PEDOT:PSS containing nanofiber Oskars Bitmets, Kaspars Pudzs, Andrejs Tokmakovs, Karlis Kundzins

[3] GEN Staff Writer. «Nanofiber Dressings Promote Skin Regeneration and Wound Healing». GEN - Genetic Engineering and Biotechnology News (en-US), 2018-03-19. Skatīts: 2021-04-27.

[4] Malloy, James; Quintana, Alberto; Jensen, Christopher J.; Liu, Kai (2021-04-14). "Efficient and Robust Metallic Nanowire Foams for Deep Submicrometer Particulate Filtration". Nano Letters 21 (7): 2968–2974. doi:10.1021/acs.nanolett.1c00050. ISSN 1530-6984.

[5] "Nanowire-based gas sensors" (en). Sensors and Actuators B: Chemical 177: 178–195. 2013-02-01. doi:10.1016/j.snb.2012.10.134. ISSN 0925-4005.

[6] "Cerium molybdate nanowires for active corrosion protection of aluminium alloys" (en). Corrosion Science 58: 41–51. 2012-05-01. doi:10.1016/j.corsci.2012.01.012. ISSN 0010-938X.

[7] "W3Nb14O44 nanowires: Ultrastable lithium storage anode materials for advanced rechargeable batteries" (en). Energy Storage Materials 16: 535–544. 2019-01-01. doi:10.1016/j.ensm.2018.09.008. ISSN 2405-8297.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]