Neues Nanotech-Faserverfahren erleuchtet europäische Industrie
EU-finanzierte Forscher haben eine neue Methode zur Herstellung von Fasern aus nanostrukturierten organischen Materialien entwickelt. Der Durchbruch könnte zur kosteneffizienten Herstellung von lichtemittierenden Fasern im Nanomaßstab führen, die in Sensoren und Biosensoren, zur Energiegewinnung (z. B. in Solarmodulen) und sogar in „intelligenter“ Kleidung eingesetzt werden können, die auf die Umwelt reagieren kann. Zu anderen möglichen Anwendungen gehören intelligente tragbare Vorrichtungen, Vor-Ort-Diagnostika für medizinisches Personal und automatische Heimanwendungen für Licht- und Tonsysteme. Nanoskalige Strukturen sind in der Regel 1 bis 100 Nanometer groß – wobei ein Nanometer ein Milliardstel eines Meters ist – und sie können über Eigenschaften verfügen, die den Herstellern eine erstaunliche Festigkeit, Flexibilität und/oder elektrische Leitfähigkeit bieten. Während jedoch in den letzten Jahren in der Nanotechnologie bedeutende Fortschritte erzielt wurden, hat sich die Optimierung der Nanofabrikation von lichtemittierenden Fasern als schwierig erwiesen. Ein Grund dafür ist, dass der Herstellungsprozess so viele Variablen aufweist, die gesteuert werden müssen, was die Kosten erhöht und die Produktionseffizienzen senkt. So kann etwa die Präsenz von Sauerstoff und Feuchtigkeit in der Fertigungsumgebung die optischen Eigenschaften bestimmter Verbindungen beeinträchtigen und sich damit auf die Effizienz der aus diesen hergestellten Nanostrukturen auswirken. Neues Fertigungsverfahren Um dieses Problem anzugehen, hat das über fünf Jahre laufende Projekt NANO-JETS, das 2013 gestartet wurde, eine neue Fertigungstechnik, das sogenannte elektrostatische Spinnen oder „Elektrospinnen“, ins Spiel gebracht. Bei diesem Verfahren werden Polymerfilamente durch das Anlegen elektrischer Felder hergestellt, die dann in verschiede Vorrichtungsplattformen integriert werden können. Beim ersten Schritt dieses Verfahrens wird eine Polymerlösung in eine Spritze gefüllt, die anschließend durch externes Pumpen auf die Spitze einer Metallnadel gedrückt wird. Das Pumpen wird in der Regel durch mechanische Kolben erreicht und ruft eine Fließbewegung der Lösung in der Spritze hervor. Um eine ausreichend hohe Menge an Verknüpfungen zwischen den Makromolekülen in der Lösung zu erreichen, ist eine hohe Konzentration der Polymerlösung erforderlich. Dann wird zwischen der Spitze und einem vor dieser platzierten Kollektor eine elektrische Spannung angelegt. Die angelegte Spannung wird allmählich erhöht, wodurch der Tropfen verlängert wird, dann eine Kegelspitze und schließlich einen Strahl bildet. Die Geschwindigkeit des Strahls kann mehrere Meter pro Sekunde erreichen. Das Lösungsmittel dünstet schnell aus dem Strahl ab und schließlich werden solide Nanofasern auf dem Kollektor abgesetzt. Ein Vorteil für die Endnutzer ist, dass diese gesammelten Faser generell flexibel sind und sich für Oberflächen aller Formen eignen. In seinen ersten Tests verwendete das Projektteam eine kontrollierte Stickstoffatmosphäre mit einem Sauerstoffgehalt von weniger als zwei Teilen pro Million (ppm). Diese verstärkte die optischen Eigenschaften der gesammelten Fasern. Weiterhin wurde entdeckt, dass niedrige Umgebungsfeuchtigkeitswerte zu einer reduzierten Oberflächenrauheit der einzelnen lichtemittierenden Fasern führten. All das wird zur Entwicklung von effizienteren Fertigungspraktiken beitragen. Nächste Schritte Das NANO-JETS-Projekt endet im Februar 2018. Das Team wird jetzt neue Wege erkunden, um die Vielfalt des verarbeiteten Materials zu erweitern, um neue Klassen von lichtemittierenden Fasern zu realisieren. Weiterhin erforscht es die lichtleitenden Eigenschaften von aus multiplen Filamenten gefertigten Probekörpern. Weitere Informationen finden Sie auf der: NANO-JETS Projektwebsite
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