Un dispositivo de fabricación impreso en 3-D puede extruir fibras que tienen solo 75 nanómetros de diámetro o una milésima del ancho de un cabello humano. El sistema de boquilla impreso podría hacer fibras uniformes y versátiles a un costo mucho más bajo.
Las mallas hechas de fibras con diámetros de escala nanométrica tienen una amplia gama de aplicaciones potenciales, que incluyen ingeniería de tejidos, filtración de agua, células solares e incluso armaduras corporales. Pero su comercialización se ha visto obstaculizada por técnicas de fabricación ineficientes.
En el último número de la revista Nanotechnology , los investigadores del MIT describen un nuevo dispositivo para producir mallas de nanofibras, que iguala la velocidad de producción y la eficiencia energética de su predecesor de mejor rendimiento, pero reduce significativamente la variación en los diámetros de las fibras, una consideración importante en la mayoría aplicaciones.
Pero mientras que el dispositivo predecesor, del mismo grupo MIT , se grabó en silicio a través de un complejo proceso que requería una “sala limpia” con cierre hermético, el nuevo dispositivo se construyó utilizando una impresora 3-D comercial de $ 3,500. El trabajo apunta así hacia la fabricación de nanofibras que no solo es más confiable sino también mucho más barata.
El nuevo dispositivo consiste en una serie de pequeñas boquillas a través de las cuales se bombea un fluido que contiene partículas de un polímero. Como tal, es lo que se conoce como un dispositivo microfluídico .
“Mi opinión personal es que en los próximos años, nadie va a hacer microfluidos en la sala limpia”, dice Luis Fernando Velásquez-García, científico principal de investigación en Microsystems Technology Laboratories del MIT y autor principal del nuevo documento. “No hay razón para hacerlo. La impresión 3-D es una tecnología que puede hacerlo mucho mejor, con una mejor selección de materiales, con la posibilidad de hacer realmente la estructura que le gustaría hacer. Cuando vas a la sala limpia, muchas veces sacrificas la geometría que quieres hacer. Y el segundo problema es que es increíblemente caro “.
Velásquez-García se une al periódico por dos postdocs en su grupo, Erika García-López y Daniel Olvera-Trejo. Ambos recibieron sus doctorados del Tecnológico de Monterrey en México y trabajaron con Velásquez-García a través del MIT y la asociación de investigación en nanotecnología del Tecnológico de Monterrey .
Ahuecado
Las nanofibras son útiles para cualquier aplicación que se beneficie de una alta proporción de área de superficie a volumen, como las células solares, que intentan maximizar la exposición a la luz solar, o electrodos de células de combustible, que catalizan las reacciones en sus superficies. Las nanofibras también pueden producir materiales que son permeables solo a escalas muy pequeñas, como filtros de agua, o que son notablemente resistentes a su peso, como la armadura corporal.
La mayoría de esas aplicaciones dependen de fibras con diámetros regulares. “El rendimiento de las fibras depende mucho de su diámetro”, dice Velásquez-García. “Si tienes un diferencial significativo, lo que realmente significa es que solo un pequeño porcentaje funciona realmente. Ejemplo: tiene un filtro y el filtro tiene poros entre 50 nanómetros y 1 micra. Eso es realmente un filtro de 1 micra “.
Debido a que el dispositivo anterior del grupo estaba grabado en silicio, era “alimentado externamente”, lo que significa que un campo eléctrico atraía una solución de polímero por los lados de los emisores individuales. El flujo de fluido estaba regulado por columnas rectangulares grabadas en los lados de los emisores, pero aún era lo suficientemente irregular como para producir fibras de diámetro irregular.
Los nuevos emisores, por el contrario, son “alimentados internamente”: tienen agujeros taladrados a través de ellos, y la presión hidráulica empuja el fluido en los agujeros hasta que se llenen. Solo entonces un campo eléctrico extrae el fluido en pequeñas fibras.
Debajo de los emisores, los canales que alimentan los agujeros se envuelven en espirales, y gradualmente se van estrechando a lo largo de su longitud. Ese estrechamiento es clave para regular el diámetro de las nanofibras, y sería prácticamente imposible de lograr con técnicas de microfabricación en salas limpias. “La microfabricación está destinada a hacer cortes rectos”, dice Velásquez-García.
Iteración rápida
En el nuevo dispositivo, las boquillas están dispuestas en dos filas, que están ligeramente desplazadas una de la otra. Eso es porque el dispositivo fue diseñado para demostrar nanofibras alineadas, nanofibras que preservan su posición relativa a medida que son recogidas por un tambor giratorio. Las nanofibras alineadas son particularmente útiles en algunas aplicaciones, como el andamiaje de tejidos. Para aplicaciones en las que las fibras desalineadas son adecuadas, las boquillas podrían disponerse en una rejilla, aumentando la velocidad de salida.
Además del costo y la flexibilidad del diseño, Velásquez-García dice que otra ventaja de la impresión en 3-D es la capacidad de probar y revisar diseños rápidamente. Con los dispositivos microfabricados de su grupo, dice, normalmente lleva dos años pasar de un modelo teórico a uno publicado, y mientras tanto, él y sus colegas podrían probar dos o tres variaciones en su diseño básico. Con el nuevo dispositivo, dice, el proceso tomó más cerca de un año, y fueron capaces de probar 70 iteraciones del diseño.
“Una forma de determinar de manera determinista la posición y el tamaño de las fibras electrospundas le permite comenzar a pensar en poder controlar las propiedades mecánicas de los materiales que se fabrican a partir de estas fibras. Le permite pensar en el crecimiento preferencial de células a lo largo de direcciones particulares en las fibras, muchas buenas oportunidades potenciales allí “, dice Mark Allen, profesor Alfred Fitler Moore en la Universidad de Pensilvania, con nombramientos conjuntos en ingeniería eléctrica y de sistemas e ingeniería mecánica y mecánica aplicada. “Anticipo que alguien tomará esta tecnología y la usará de manera muy creativa. Si tiene la necesidad de este tipo de red de fibra de ingeniería determinista, creo que es una forma muy elegante de lograr ese objetivo “.
Fuente: MIT