Ultra ince elyafların istisnai gücü

MIT ekibi tarafından oluşturulan yeni ultra-ince elyaflar, Taramalı Elektron Mikroskopu (SEM) görüntüsü


Bu yaklaşım ile günümüzde yeni fotovoltaik materyallerin test edilmesi için gereken zaman alıcı adımlar atlanabilir.

MIT’deki araştırmacılar, son derece ince elyaflar üretebilen, ki çapları nanometrelerce veya milyarda bir metre ölçülerindedir.  Son derece güçlü ve dayanıklı olan bir süreç geliştirdi. Ucuz ve üretilmesi kolay olması gereken bu elyaflar, koruyucu zırh ve nanokompozit gibi birçok uygulama için kullanılabilir.

Jel elektrospinning olarak adlandırılan yeni proses, Journal of Material Science’un Şubat sayısında yayınlanacaktır.

Malzeme bilimini Rutledge, “çok zordur” diye açıklıyor. Tipik olarak araştırmacılar bir maddenin bir özelliğini artırabilir, ancak farklı bir karakteristik özellikte bir düşüş görürler. “Mukavemet ve tokluk böyle bir çifttir: Genellikle yüksek mukavemet elde ettiğinde tokluktan bir şeyler kaybedersiniz” diyor. “Malzeme daha kırılgan hale geliyor ve bu nedenle enerjiyi emme mekanizması yok ve kırılma eğiliminde.” Fakat yeni prosesle yapılan elyaflarda, bu dengelemelerin birçoğu ortadan kalkıyor.

Rutledge, “Çok yüksek mukavemet ve yüksek tokluğa sahip bir malzeme aldığınızda büyük önem taşıyor” diyor. Jel eğirme olarak adlandırılan geleneksel bir yöntemin bir varyasyonunu kullanan ancak elektrik kuvvetlerini ekleyen bu süreçte durum geçerlidir. Sonuç olarak mermi durdurucu vücut zırhı gibi uygulamalar için kullanılan Kevlar ve Dyneema gibi güçlü lif malzemelerinden bazılarına uyan veya aşan polietilenin ultra ince lifleridir.

Rutledge, “Elyafları farklı boyut aralıklarında, yani 1 mikronun [milyonda bir metrenin] altında yapmak için bir çalışmaya başladık, zira bunlar kendi başına bir çok ilginç özelliğe sahipler” diyor.

“Ve bazen nanofiber olarak adlandırılan çok ince elyaflara yıllarca inceledik. Ancak yüksek performanslı elyaf aralığı diye bir şey yoktur “

Kevlar gibi aramidleri ve Dyneema ve Spectra gibi jel ile eğrilmiş polietilenleri içeren yüksek performanslı elyaflar ayrıca baskı gerektiren kullanımlar için halatlarda ve takviyeli olarak Bazı yüksek performanslı kompozitlerdeki liflerdir.

Rutledge, “Bu alanda uzun yıllar yeni bir gelişme olmamıştır, çünkü mekanik alanda çok iyi performans gösteren elyaflara sahipler” diyor. Ancak, bu yeni malzeme diğerlerini aşıyor.

“Gerçekten onlardan ayıran şey, kendine özgü modül ve belirli güç olarak adlandırdığımız özelliği, ağırlık temelinde her şeyden daha üstün oldukları anlamına geliyor” Modülü, bir lifin ne kadar sert olduğunu veya gerilmeye karşı ne kadar direnç gösteriyor.

Kompozit malzemelerde yaygın olarak kullanılan karbon elyafları ve seramik elyafları ile karşılaştırıldığında, yeni jel elektrospuz polietilen elyafları benzer mukavemet derecelerine sahip ancak çok daha sert ve daha düşük yoğunlukludur. Rutledge, ürünün standart malzemelerden daha iyi bir performans sergilediğini söylüyor.

Test malzemeleri, mevcut en iyi elyaf kadar iyi olmayan bir modüle sahipken, oldukça “rekabetçi” olabilecek kadar yakınlardı diyor. Kritik olarak şunları ekliyor: “güçlü yönler ticari materyallerden iki kat daha iyi ve mevcut en iyi akademik materyallerle karşılaştırılabilir. Ve sağlamlıkları daha iyi bir düzende. “

Araştırmacılar hala bu etkileyici performansın nedenini araştırıyor. Rutledge, “Fiber boyutundaki azalmayla beklediğimiz bir hediye olarak aldığımız bir şey gibi görünüyor” dedi.

“Çoğu plastiğin sert olduğu, ancak elde ettiğimiz kadar sağlam ve güçlü olmadığı” açıklıyor. Cam elyafları sert ancak çok güçlü değilken, çelik tel güçlü ancak çok sert değil. Yeni jel-elektrospınent elyaflar istenilen mukavemet, sağlamlık ve tokluğun özelliklerini birkaç eşdeğeri olan şekilde birleştiriyor gibi görünüyor.

Jel elektrospinning prosesinin kullanılması “getirdiğimiz malzemeler bakımından konvansiyonel [jel eğirme] işlemine çok benzer, ancak elektrik kuvvetleri kullandığımız için” ve birden fazla aşamadan ziyade tek aşamalı bir prosestir. “geleneksel prosese göre, tipik 15 mikrometreden ziyade birkaç yüz nanometrenin çapları ile” çok daha fazla çekilmiş elyaflar elde ediliyoruz “diyor. Araştırmacılar süreci, jel eğrilmiş elyaflarda olduğu gibi başlangıç malzemesi olarak bir polimer jelinin kullanılmasını birleştirir, ancak elyafları çekmek için mekanik çekme yerine elektrik kuvvetlerini kullanır; yüklü elyaflar ultra ince boyutlarını üreten bir “kamçı” istikrarsızlık süreci başlatır. Ve bu dar boyutlar, ortaya çıktı, liflerin eşsiz özelliklerine yol açtı.

Bu sonuçlar, varolanlar kadar güçlü fakat daha pratik hale getiren daha az hacimli koruyucu malzemeleri ortaya çıkarabilir. Ve Rutledge, “düşünmediğimiz uygulamaları olabilir, çünkü şimdi bu tokluk seviyesine sahip olduklarını öğrendik” dedi.

Araştırma, Natick Askeri Araştırma, Geliştirme ve Mühendislik Merkezi ve Asker Nanoteknolojileri Enstitüsü ve Ulusal Bilim Vakfı Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Merkezi aracılığıyla ABD Ordusu tarafından desteklendi.

Kaynaklar ve İleri Okuma:


”http://news.mit.edu/2018/ultrafine-fibers-have-exceptional-strength-0105”


Bu makaleyi 4 dakikada okuyabilirsiniz.

Yönetici

Moleküler Biyoloji ve Genetik

Bir Cevap Yazın