الدرس 13.9الدقيق والنانويالفصل 13 · التصنيع الدقيق والنانوي

الغزل الكهربائي

يسحب نفاثة بوليمر إلى ألياف نانوية بجهد عالٍ

يستخدم الغزل الكهربائي جهدًا عاليًا لسحب محلول بوليمر إلى ألياف أرقّ من الشعرة بمئات المرات. تتراكم الألياف في شبكة خفيفة هوائية تسمى حصيرة الألياف النانوية. تعزز هذه الحصائر مرشحات الهواء وكمامات الوجه، وتُستخدم كسقالات لنمو الأنسجة.

الصورة: Farizat Aidyn, CC BY-SA 4.0, عبر Wikimedia Commons

الغزل الكهربائي · التجهيز وتكبير مخروط تايلور وشبكة الأليافالأرقام المدوّرة تطابق الخطوات أدناه؛ واللوحتان المؤطرتان تكبّران طرف الإبرة والشبكة النهائية.

كيف تعمل

تحضير المحلول. يُذاب البوليمر في مذيب أو يُصهر، حتى اللزوجة المناسبة (مقدار سماكة السائل وبطء تدفقه).
تغذية قطرة. تدفع مضخة حقنة المحلول ببطء إلى طرف إبرة معدنية، حيث تتدلى قطرة.
تطبيق جهد عالٍ. مصدر بجهد عادةً من 5 إلى 50 كيلوفولت يشحن القطرة. تتغلب القوى الكهربائية على التوتر السطحي وتسحب القطرة إلى نقطة تسمى مخروط تايلور.
النفاثة والسوط. تنطلق نفاثة دقيقة من طرف المخروط، ثم تلتف وتتمايل بعنف. تتمدد آلاف المرات بينما يتبخر المذيب.
جمع الألياف. تهبط الألياف الجافة على مجمّع مؤرَّض: لوح مسطح لشبكة عشوائية، أو أسطوانة سريعة الدوران لألياف متراصفة، أو قماش متحرك في مصنع. ثم تُنزع الحصيرة أو تُلصق على دعامة أو تُعقَّم للاستخدام الطبي.

حقائق أساسية

المواد: محاليل أو مصاهير بوليمرات: نايلون، بوليستر (PET)، PVDF، PAN، PCL القابل للتحلل الحيوي، PVA، كولاجين، أسيتات السليلوز؛ وكذلك سلائف سيراميكية
القطع النموذجية: حصائر ألياف غير منسوجة (تشبه اللبّاد، غير منسوجة)، طبقات ترشيح على الأقمشة، أنابيب، خيوط متراصفة
حجم القطعة: ألياف بسماكة من عشرات النانومترات إلى بضعة ميكرونات؛ وحصائر من عيّنات مخبرية إلى بكرات صناعية بعرض أمتار
الدقة: لا تفاوت أبعاد بحد ذاته: الوصفة والإعدادات تتحكمان بقطر الألياف وتباينه
تشطيب السطح: شبكة طرية تشبه اللبّاد بمساحة سطح هائلة ومسام دقيقة تحبس جسيمات أصغر من ميكرون
حجم الدفعة المناسب: من غرامات مخبرية إلى خطوط إنتاج من بكرة إلى بكرة بعرض أمتار
كلفة العدّة والآلة: تجهيز مخبري من بضعة آلاف من الدولارات؛ والخطوط الصناعية أكثر بكثير
السرعة: إبرة واحدة تصنع أقل بكثير من غرام من الألياف في الساعة؛ وخطوط المصانع بلا إبر تغطي القماش باستمرار

نقاط القوة والحدود

نقاط القوة

ألياف فائقة الدقة بمساحة سطح هائلة
تجهيز مخبري بسيط ومنخفض الكلفة
خيار واسع من البوليمرات والخلائط والإضافات (أدوية، جسيمات)
يحاكي شبكة الألياف حول خلايا الجسم، مما يساعد الخلايا على النمو

الحدود

إنتاج منخفض من الإبر المفردة
وصفات كثيرة تستخدم مذيبات سامة أو قابلة للاشتعال
يتغير حجم الألياف مع الرطوبة والجهد والمسافة
الحصائر الضعيفة تحتاج عادةً إلى طبقة دعم؛ وتنطبق قواعد سلامة الجهد العالي

أين تُستخدم

الترشيحطبقات ألياف نانوية في مرشحات تهوية المباني وهواء المحركات وكمامات الوجه
الطبضمادات الجروح، سقالات هندسة الأنسجة، رقع الأوعية الدموية، لصقات إطلاق الدواء
الطاقةفواصل البطاريات، أغشية خلايا الوقود
المنسوجاتأغشية قابلة للتنفس ومقاومة للماء، ملابس واقية
مستحضرات التجميلكمامات ولصقات بالألياف النانوية
البحث العلميالحسّاسات، المحفزات، الألياف النانوية السيراميكية

كيف تتعرف عليها

الألياف المفردة لا تُرى بالعين؛ ولا تظهر إلا الشبكة، كغشاء أبيض أو شبه شفاف رقيق جدًا.
انظر إلى بعض مرشحات الهواء أو المكانس أو المحركات عالية الكفاءة: طلاء رقيق على قماش أخشن يبدو أخف من أن يعمل.
تحت المجهر الإلكتروني تبدو الشبكة كسباغيتي متشابكة، بخيوط ذات سماكة متقاربة جدًا.
النسخ الطبية تنتهي على الجروح أو داخل الجسم، كضمادات وسقالات قد تذوب ببطء.