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(Foco Nanowerk) El electrohilado, un método versátil para producir nanofibras y microfibras, ofrece la posibilidad de producir fibras con diámetros en el rango de nanómetros a micrómetros a partir de materiales cerámicos, poliméricos y metálicos. Estas fibras finas tienen una gran demanda para una variedad de aplicaciones, desde ingeniería de tejidos y filtración hasta pilas de combustible y baterías de litio, principalmente debido a su morfología única de alta relación de aspecto y su gran superficie.
Si bien el electrohilado tradicional es muy adecuado para producir esteras de fibra bidimensionales, estas estructuras tienen sus limitaciones. Las fibras de las esteras 2D están densamente empaquetadas, lo que da como resultado tamaños de poro más pequeños y menos espacio para que los materiales pasen o se almacenen. Esto los hace menos ideales para aplicaciones que requieren alta porosidad o flexibilidad mecánica, como sistemas de filtración o andamios de tela. Además, las esteras 2D son propensas a delaminarse, lo que puede comprometer su integridad estructural con el tiempo.
Por el contrario, las macroestructuras de fibras tridimensionales (3D) ofrecen una serie de ventajas. Estas estructuras tienen un espaciado de fibras y tamaños de poro significativamente mayores, lo que no solo aumenta su resistencia mecánica, sino que también aumenta su capacidad para proporcionar aislamiento térmico y absorber contaminantes. La configuración 3D permite que las fibras se entrelacen y se acumulen capa por capa, creando una red altamente porosa que es más robusta y versátil. Esto es particularmente beneficioso para aplicaciones como el aislamiento térmico, donde las bolsas de aire más grandes dentro de la estructura 3D proporcionan una mejor resistencia al calor en comparación con las esteras 2D.
Además, la gran superficie y la naturaleza porosa de las fibras 3D permiten una capacidad de absorción extremadamente alta. Cuando se tratan hidrofóbicamente, estas fibras cerámicas pueden absorber selectivamente solventes orgánicos del agua, lo que las hace extremadamente efectivas para tareas de limpieza ambiental como la limpieza de derrames de petróleo.
Anteriormente, producir estructuras de fibras 3D verdaderamente porosas requería modificaciones complejas en la configuración de electrohilado y métodos de posprocesamiento que requerían mucha mano de obra.
Investigadores de la Universidad de Oxford han desarrollado una técnica sencilla pero potente para producir materiales fibrosos en 3D directamente a partir de soluciones utilizando una configuración estándar de electrohilado. Al ajustar la composición y las propiedades de las soluciones iniciales sol-gel, el equipo logró este objetivo en el sitio Formación de redes de fibras 3D altamente porosas.
![Creación de una matriz de fibras 3D mediante electrohilado sol-gel](https://www.nanowerk.com/spotlight/id63607_1.jpg)
«La incorporación de una sal de itrio en una solución que contiene precursores de alcóxido de titanio y silicio aumenta la conductividad y la viscosidad de la solución de una manera que altera el comportamiento electrodinámico del haz y el proceso de ensamblaje de la fibra», explica Shiling Dong, autor principal del artículo, comparado a Nanowerk.
Este nuevo método, que no requiere un posprocesamiento complejo, podría permitir materiales de próxima generación más funcionales y económicos para aplicaciones que van desde el aislamiento térmico hasta la remediación ambiental.
El equipo informó sus hallazgos en ACS Nano (“Revelando el mecanismo de en el sitio Formación de macroensamblajes de fibras 3D con propiedades controladas»).
Utilizando una cámara de alta velocidad, el equipo capturó las diferencias entre la dinámica del chorro y la acumulación de fibras al comparar una solución sin aditivos con una solución con aditivos. A mayor conductividad, comienza la zona de inestabilidad del impacto, donde los chorros comienzan a curvarse y el impacto comienza más cerca de la boquilla. Lo que es más interesante es que debido a la redistribución de la carga a lo largo del chorro, los chorros desarrollan espirales no sólo verticalmente sino también paralelas al campo eléctrico.
Esta colección vertical es posible gracias a los efectos de polarización entre las fibras entrantes y las ya recogidas. Cuando las fibras se encuentran verticalmente y se entrelazan, se crea una red de fibras 3D altamente porosa. en el sitio Capa por capa en electrospinning. La arquitectura 3D resultante presenta espacios entre fibras y tamaños de poros significativamente mayores en comparación con las esteras 2D tradicionales densamente empaquetadas.
A medida que las fibras se acercaban al colector, se observó que las fibras que contenían aditivo aterrizaban verticalmente sobre las fibras depositadas en lugar de aplanarse. Esta colección vertical es posible gracias a los efectos de polarización entre las fibras entrantes y las ya recogidas. En última instancia, se construye una red de fibra 3D altamente porosa en el sitio en electrohilado.
El análisis de la rigidez de fibras individuales mediante simulaciones reveló que las fibras hiladas a partir de soluciones más viscosas son más gruesas y rígidas. Esta resiliencia mecánica evita que la arquitectura 3D colapse. Al hacer coincidir las concentraciones de precursores y el contenido de aditivos, el equipo pudo determinar el “rango 3D” óptimo de propiedades de la solución, en particular los rangos de viscosidad y conductividad, para lograr conjuntos de fibras 3D.
«Sorprendentemente, este enfoque permite la fabricación directa de materiales de fibra 3D con una configuración clásica de electrohilado simplemente ajustando la solución inicial», enfatiza Barbara M. Maciejewska, coprimera autora del artículo. «Después de la calcinación para eliminar el componente polimérico, se crean materiales de fibra cerámica con una densidad ultraligera y una porosidad excepcional».
Para demostrarlo, los investigadores probaron el rendimiento aislante de las esteras planas de fibra 2D en comparación con las matrices de fibra 3D. Las estructuras 3D proporcionaron un excelente aislamiento térmico y conservaron la frescura de una flor durante más de 10 minutos en una placa caliente a 200°C.
La gran superficie y la naturaleza porosa de las fibras 3D también permiten capacidades de absorción ultraaltas. Si las fibras cerámicas se hacen hidrófobas, pueden absorber selectivamente disolventes orgánicos del agua, lo que presenta potencial para la limpieza de derrames de petróleo.
«Este avance aborda un desafío de larga data en el electrohilado y la producción de fibras», concluye la profesora Nicole Grobert, quien dirigió este trabajo. “La capacidad de crear fácilmente redes de fibra 3D amplía las posibilidades de diseñar materiales avanzados. Combinar la facilidad de fabricación con una variedad de formas podría permitir aislamientos, absorbentes, estructuras de tejido, electrodos de batería y más personalizables. Lo importante es que el método, que se basa en propiedades de solución universales, abre la puerta a la creación de estructuras de fibras 3D personalizadas a partir de diferentes sistemas de materiales”.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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