用“近场静电纺丝技术”构造的有序纳米纤维

用静电纺丝技术拼写的“Cal”

据加州大学伯克利分校网站2006年4月12日报道，经过整整72年时间，科学家们总算能够成功使用电场将聚合物纺成细小的纤维。但仍然有一个问题存在：如同蠕虫不会停止蠕动一样，这些细小的纤维几乎在刚刚纺出来时就缠绕在了一起。

　　现在，来自加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员们发现了一种方法，通过使用电场作用以一种径直的、连续的、可操控的方式来制造纳米纤维。这种方法使得生产出新型的、特殊的纳米纤维材料成为可能，这些材料可被用于创伤敷料、滤筛以及生物支架。伯克利分校的科学家们的研究结果将发表在四月号的《纳米通讯》期刊上。该期杂志已于4月12日发行。

　　静电纺丝技术早在1934年就被申请了专利，当时科学家们就已经学会了如何通过一个注射器使混有溶剂的聚合物喷射出连续的细丝束，并喷射到准备好的电场中。随着溶剂的蒸发，电场中的电力开始拉伸聚合物，渐渐把聚合物拉成长长的鞭状细丝纤维，由于电场的作用，使得这些纤维在充满电的屏幕上以相隔10－30厘米的距离缠结。

　　到了上个世纪九十年代中期，由于纳米技术的出现，重新点燃了科学家们使用静电纺丝技术的热情。从那个时候起，科学家们已经将超过100种的合成聚合物和自然聚合物纺成了细丝纤维，这些纤维的直径从数十纳米到几微米（1微米等于千分之一毫米，1纳米等于千分之一微米，1纳米又相当于10个原子并列的长度）不等。直到目前，最接近的将静电纺织出来的纤维矫直的过程是，在纤维制造出来后就用一个类似于线轴的装置将它们缠绕起来。

　　中国厦门大学机电工程系教授孙道恒（音）加入加州大学伯克利分校学者研究项目的林教授的实验室已经有两年时间了，2004年他刚来的时候就开始寻找合适的研究项目。孙教授和伯克利分校机械工程学的林教授共同想到了静电纺丝技术，于是他们合作试着使用静电纺织工艺制造出有序排列的纤维。

　　林教授说：“我本人一直在从事纳米技术方面的研究，但对于静电纺丝技术却从未涉足。在这一领域我们完全是门外汉，所以我们也没有任何有预见性的想法。我们只是去尝试别人没有想到过的东西。最后发现，我们尝试的东西效果很好。”

　　在他们的创新过程中，他们用一种径直的、可操控的方式制造出了直径在50－500纳米的纤维，这些纤维被放在了一个搜集盘子中。谈到关于缩短注射器和搜集点之间的距离时，研究小组给这一新的工艺命名为“近场静电纺丝技术”。林教授说：“传统的静电纺织技术是一种随意，紊乱的工艺。我们的突破在于我们能十分精确地控制纳米纤维的定位和沉淀。”孙教授和林教授的方法同传统的静电纺织技术主要有四个方面的不同：

　　第一，取代传统的将聚合物溶剂通过注射器喷射纤维细丝进入电场的方法，他们使用了一种细尖的钨电极，就像钢笔蘸墨水一样蘸取溶剂。然后将电极置于搜集盘上方，对点击加电压，由此产生电场并将聚合物滴到电极的尖端开始静电纺丝的过程。这一方法使得研究小组在聚合物离开电极时能够缩小其丝束最初的直径，这一直径要比用传统的注射器产生的纤维直径要小的多。

　　第二，研究人员削减了聚合物在电场中通过的距离，将原来10－30厘米的距离减少到了1.5-3毫米之间。这可以帮助研究人员利用在静电纺丝过程开始后聚合物简短的稳定瞬间。就好比喷气发动机在燃料耗尽之间维持的最后一丝正常喷束，之后产生的喷气就会显得杂乱无章。产生的纤维在进入电场后只能维持很短时间的笔直状态。在孙和林教授的近场技术中，在纤维出现紊乱前就把其捕获了。

　　第三，缩短的距离还意味着可以将所需的电压从30000伏特降低到600伏特。因为电场中的电压强度是由其中分割的距离决定的，距离越短就越能够使用更少的电压维持相同强度的电场。

　　最后，与传统的使用固定的屏幕获取纤维的方式不同，孙和林教授使用可调整位置和速度的盘子来接产生的纤维束。这使得研究人员能像缝纫机针线随机设计图案一样将纤维捕获到盘子中。

　　林教授说，他预见到这一新工艺的两个可能的直接应用方向。其中之一就是设计应用，这种应用要求纳米纤维的精确沉淀，比如制造用于生物测量的纳米传感器——葡萄糖监测仪。另一个应用就是对给定样式的非纺织技术，这方面有很多应用，如活细胞的生物支架。近场静电纺丝技术还可以在纳米平板印刷中得到应用，用于制造下一代的微芯片。但林教授还提醒说，这需要更多的开发努力。他目前正着手对近场静电纺丝技术进行两方面的改进：可提供连续聚合物供应的电极和更好的控制捕获纤维所需的移动平台。

　　伯克利学者研究项目是由唐家族基金会建立的一个秘密资助项目。这一项目的目标在于，通过加强最好的学者之间的合作关系，特别是中国刚开始他们的事业的学者和伯克利分校内已经有所建树的科研带头人之间的联系，以提高全球范围内科学和技术方面的标准。孙的项目由新加坡的李氏基金会赞助。

来源：中国科技信息网