近場靜電紡絲用于具有高表面率的三維堆積納米結(jié)構(gòu)

供稿人:郝冠哲 賀健康
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

近場靜電紡絲（NFES）的開發(fā)是為了克服傳統(tǒng)靜電紡絲工藝的固有不穩(wěn)定性，其通過減小打印接收距離來促進(jìn)納米纖維在高壓電場作用下可控堆積。 該技術(shù)為二維（2D）納米纖維的精確圖案化提供了一種簡單而通用的方法。 但是，該技術(shù)在精確地構(gòu)建三維納米結(jié)構(gòu)方面仍然面臨著挑戰(zhàn)。

國立蔚山科學(xué)技術(shù)院生命科學(xué)學(xué)院的研究者提出了一種3D近場靜電紡絲直寫技術(shù)，該技術(shù)通過調(diào)節(jié)打印材料的電導(dǎo)率來構(gòu)建自對(duì)準(zhǔn)，無模板的三維堆疊納米結(jié)構(gòu)。

首先，實(shí)驗(yàn)通過向聚合物溶液（PEO）中加入氯化鈉來調(diào)節(jié)材料的導(dǎo)電性，通過電場仿真模擬表明材料導(dǎo)電性的提高可以使得電場分布均勻及纖維表面電荷密度減小，且實(shí)際打印結(jié)果表明向打印材料中添加氯化鈉的使得纖維堆積更加精確。

圖1 (A)打印系統(tǒng)示意圖。(B-E)分析建模，電荷密度分析結(jié)果，電場強(qiáng)度分析結(jié)果，表面電荷密度分析圖。(F)實(shí)際打印結(jié)果圖

其次，通過調(diào)節(jié)材料中氯化鈉的濃度可以實(shí)現(xiàn)纖維線徑的變化，隨著堆積層數(shù)的提高，三維堆積的納米結(jié)構(gòu)其表面率也逐漸增大（圖2）。并且通過設(shè)定打印程序，該打印工藝可實(shí)現(xiàn)多種微納結(jié)構(gòu)的打印（圖3）。

圖2. (A-B)氯化鈉濃度引起纖維直徑變化。(C-D)表面率隨打印層數(shù)的變化

圖3.(A)直線單墻陣列結(jié)構(gòu)。(B)圓弧單墻陣列結(jié)構(gòu)。(c)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。 (D)納米橋結(jié)構(gòu)

綜上，該方法通過向聚合物溶液中加入氯化鈉來調(diào)節(jié)電導(dǎo)率，使得沉積纖維表面電荷密度降低，纖維間的靜電排斥減弱，為解決靜電打印無法實(shí)現(xiàn)納米尺度纖維精確堆積成三維結(jié)構(gòu)的問題提供了一種新的思路，最終實(shí)現(xiàn)了多種三維結(jié)構(gòu)的打印。

參考文獻(xiàn)：
1.Yang-Seok Park, Junyoung Kim, Jung Min Oh, Seungyoung Park, Seungse Cho, Hyunhyub Ko, and Yoon-Kyoung Cho. Near-Field Electrospinning for Three-Dimensional Stacked Nanoarchitectures with High Aspect Ratios. Nano Letters,2019.