У дослідженні, яке було опубліковане у журналі Frontiers in Nanotechnology, розглядається, чому полімерні та неорганічні нановолокна, що вивчаються в різних областях застосування, від фільтрації до медицини, досі не отримали широкого комерційного поширення.
У галузі синтетичної хімії та матеріалознавства дослідники розробили безліч наноматеріалів, включаючи нанолисти, нанопорошки, нанотрубки та нановолокна.
Хоча лабораторні дослідження продемонстрували виняткові властивості, лише невелика частина цих матеріалів перейшла у реальні продукти.
Автори дослідження стверджують, що комерційний успіх зазвичай вимагає виконання як мінімум двох із трьох умов: відтворюваного промислового виробництва, конкурентоспроможної вартості або явних переваг у продуктивності, а також достатньої стабільності чи терміну служби.
Нановолокна залишаються одним із небагатьох класів наноматеріалів, які можуть відповідати всім трьом умовам – принаймні у певних сферах застосування.
Виробництво нановолокон у великих масштабах
Огляд присвячений двом основним методам виробництва: електропрядіння та відцентрового прядіння. Електропрядіння забезпечує точний контроль діаметра волокна, але страждає від низької продуктивності та високої складності процесу.
Відцентрове прядіння, що приводиться в рух механічним обертанням, а не електричними полями, забезпечує набагато більшу продуктивність, але створює проблеми в управлінні процесом та забезпеченні однорідності.
Хоча обидві технології дозволяють отримувати високоякісні нановолокна, їхнє надійне масштабування залишається складним завданням. Контроль повітряного потоку, випаровування розчинника, збирання волокон та утворення дефектів потребує детальних інженерних знань, які часто перевищують можливості компаній щодо нових матеріалів.
Розчинники – головний бар'єр на шляху до успіху
Найбільш істотним бар'єром, як стверджують автори, є полімер-розчинник. Багато полімерів, що широко використовуються, такі як поліамід 6 і поліакрилонітрил, вимагають токсичних і дорогих органічних розчинників. Водорозчинні полімери дешевші та безпечніші, але їх нестабільність у водному середовищі обмежує їх використання у багатьох сферах застосування.
Економічна ситуація очевидна: виробництво одного кілограма нановолокон з 10% розчину полімеру може призвести до втрати приблизно дев'яти кілограмів розчинника через випаровування.
Розробка абсолютно нових розчинників і систем вважається нереалістичною, тому найбільш життєздатним довгостроковим рішенням залишається регенерація розчинників. Системи замкнутого циклу, конденсація розчинників та методи регенерації на основі адсорбції технічно здійсненні, але залишаються рідкісними через високу вартість та складність.
Запланована стабільність чи розкладність
Стабільність нановолокон значною мірою залежить від застосування. Фільтраційні мембрани вимагають тривалої довговічності, тоді як біомедичні застосування, такі як загоєння ран або тканинні каркаси, можуть виграти від контрольованої деградації.
Для подолання цього розриву автори виділяють стратегії післяобробки, включаючи зшивання, плазмову обробку та нанесення ультратонких неорганічних покриттів з використанням таких методів, як атомно-шарове осадження або інфільтрація в паровій фазі.
Ці підходи можуть значно підвищити механічну міцність та хімічну стійкість, а також забезпечити додаткові функції, такі як антибактеріальна активність або контрольоване вивільнення лікарських засобів.
Безпека та обережність у промисловості
Нановолокна також стикаються з проблемою сприйняття. Історичні побоювання з приводу азбесту змусили промисловість з обережністю ставитись до волокнистих матеріалів.
Однак недавні токсикологічні дослідження показують, що неорганічні нановолокна, як правило, не більш небезпечні, ніж наночастинки з тих самих матеріалів, а можливо, і менш небезпечні, оскільки їх більший розмір обмежує проникнення в шкіру або легені.
Біополімерні нановолокна широко вважаються безпечними завдяки біорозкладанню, хоча біологічні ефекти продуктів їхнього розкладання залишаються недостатньо вивченими. Автори стверджують, що продовження токсикологічних досліджень має важливе значення для зміцнення довіри серед виробників та регулювальних органів.
Де працюють нановолокна
Попри ці проблеми, нановолокна досягли комерційного успіху у фільтрації. Нановолоконні мембрани широко використовуються в системах фільтрації повітря та рідин, досягнувши найвищого рівня технологічної готовності.
Інші сектори, такі як косметика, сорбенти та нішеві біомедичні продукти, розвиваються повільніше, але демонструють великий потенціал там, де переваги у продуктивності виправдовують вищі виробничі витрати та складність.
Навпаки, неорганічні нановолокна для каталізу та енергетичних застосувань, як і раніше, обмежені високими витратами на обробку та етапами серійного виробництва.
Яке майбутнє нановолокон
Автори застерігають від очікування швидких проривів. Натомість вони закликають до стійких покращень на системному рівні: підвищення продуктивності, покращення контролю процесів, регенерації розчинників та більш тісної співпраці між академічними колами та промисловістю.
Автори відзначають, що ці проблеми не є унікальними для нановолокон, а відображають ширші проблеми, що стоять перед сектором виробництва передових матеріалів. Прогрес, ймовірно, буде поступовим, орієнтованим на конкретні сфери застосування та зумовленим очевидним підвищенням продуктивності, а не лише науковою новизною.
Нановолокна, як і раніше, можуть багато чого запропонувати — але тільки тоді, коли до промислових реалій застосовуватимуться ті ж суворі вимоги, що й до лабораторних досліджень.
