Nanotkaniny

Nanotkaniny to tekstylia wykonane z małych cząstek, które nadają zwykłym materiałom korzystne właściwości, takie jak superhydrofobowość (ekstremalna wodoodporność, patrz także „ efekt lotosu ”), eliminacja zapachu i wilgoci, zwiększona elastyczność i wytrzymałość oraz odporność na bakterie. W zależności od pożądanej właściwości, nanotkanina jest albo zbudowana z nanoskopowych włókien zwanych nanowłóknami , albo jest tworzona przez nałożenie roztworu zawierającego nanocząsteczki do zwykłej tkaniny. Badania nad nanowłókninami to interdyscyplinarny wysiłek obejmujący bioinżynierię , chemię molekularną , fizykę , elektrotechnikę , informatykę i inżynierię systemów . Zastosowania nanowłókien mogą potencjalnie zrewolucjonizować produkcję tekstyliów i dziedziny medycyny , takie jak dostarczanie leków i inżynieria tkankowa .

Obraz z mikroskopu elektronowego włókien bawełny pokrytych nanocząstkami złota (po lewej) i palladu (po prawej). Nanocząstki tworzą tylko zarys włókien na tych dwóch obrazach.

Nanoskala

Włókno o szerokości mniejszej niż 1000 nanometrów (1000 nm lub 1 μm) jest ogólnie definiowane jako nanowłókno . Nanocząstkę definiuje się jako małą grupę atomów lub cząsteczek o promieniu mniejszym niż 100 nanometrów ( 100 nm). Cząstki w nanoskali mają bardzo wysoki stosunek pola powierzchni do objętości , podczas gdy ten stosunek jest znacznie niższy dla obiektów w skali makroskopowej . Wysoki krewny pole powierzchni oznacza, że duża część masy cząsteczki znajduje się na jej powierzchni, więc nanowłókna i nanocząstki wykazują większy poziom interakcji z innymi materiałami. Wysoki stosunek pola powierzchni do objętości obserwowany w bardzo małych cząsteczkach umożliwia nadanie nanomateriałom wielu specjalnych właściwości.

Produkcja

Wykorzystanie nanocząstek i nanowłókien do produkcji specjalistycznych nanowłókien stało się przedmiotem zainteresowania po pełnym rozwinięciu technik zol-żel i elektroprzędzenia w latach 80. Od 2000 r. dramatyczny wzrost globalnych funduszy przyspieszył prace badawcze w dziedzinie nanotechnologii , w tym badania nanomateriałów.

Zol-żel

Proces zol-żel jest wykorzystywany do tworzenia żelopodobnych roztworów , które można nakładać na tekstylia jako płynne wykończenie w celu stworzenia nanowłókien o nowych właściwościach. Proces rozpoczyna się od rozpuszczenia nanocząstek w ciekłym rozpuszczalniku (często alkoholu ). Po rozpuszczeniu zachodzi kilka reakcji chemicznych , które powodują wzrost nanocząsteczek i tworzenie sieci w całej cieczy. Sieć przekształca roztwór w koloid (a zawiesina cząstek stałych w cieczy) o galaretowatej konsystencji. Na koniec koloid musi przejść proces suszenia w celu usunięcia nadmiaru rozpuszczalnika z mieszaniny, zanim będzie można go użyć do obróbki tkanin. Proces zol-żel jest wykorzystywany w podobny sposób do wytwarzania nanowłókien polimerowych , które są długimi, ultracienkimi łańcuchami połączonych ze sobą białek .

Elektroprzędzenie

Elektroprzędzenie polega na ekstrakcji nanowłókien z roztworów polimerów (syntetyzowanych w procesie zol-żel ) i zbieraniu ich w celu utworzenia nanowłókien włókninowych. Do roztworu przykłada się silne pole elektryczne w celu naładowania nici polimeru . Roztwór umieszcza się w strzykawce i kieruje na przeciwnie naładowaną płytkę kolektora . Kiedy siła przyciągania między nanowłókien polimerowych i kolektora przekracza napięcie powierzchniowe roztworu nanowłókna są uwalniane z roztworu i osadzają się na płytce kolektora . Osadzone włókna tworzą porowatą nanowłókninę, która może pomóc w dostarczaniu leków i inżynierii tkankowej w zależności od rodzaju użytego polimeru .

Aplikacje

Produkcja Włókiennicza

Kiedy powłoki nanoinżynieryjne są nakładane na tkaniny, nanocząstki łatwo tworzą wiązania z włóknami materiału. Duża powierzchnia w stosunku do objętości cząstek zwiększa ich reaktywność chemiczną , umożliwiając im trwalsze przyklejanie się do materiałów. Tkaniny pokryte nanocząsteczkowymi podczas produkcji wytwarzają materiały, które zabijają bakterie, eliminują wilgoć i zapach oraz zapobiegają elektryczności statycznej . Powłoki z nanowłókien polimerowych nakładane na tekstylia wiążą się z materiałem na jednym końcu polimeru , tworząc powierzchnię drobnych, przypominających włosy struktur. Polimerowe , która zapobiega kontaktowi płynów z właściwą tkaniną. Nanotkaniny o właściwościach odpornych na zabrudzenia, plamoodporne i superhydrofobowe są możliwe dzięki warstwie utworzonej z nanowłókien polimerowych .

Rozwój nanowłókien do zastosowania w przemyśle odzieżowym i tekstylnym jest wciąż na wczesnym etapie. Niektóre zastosowania, takie jak odzież odporna na bakterie, nie są jeszcze praktyczne z ekonomicznego punktu widzenia. Na przykład Uniwersytetu Cornell kosztował sam 10 000 USD, więc może minąć dużo czasu, zanim odzież z nanowłókien pojawi się na rynku.

Dostawa narkotyków

Nanowłókna stosowane w medycynie mogą dostarczać antybiotyki , leki przeciwnowotworowe, białka i DNA w precyzyjnych ilościach. Elektroprzędzenie tworzy porowate nanotkaniny, które można załadować pożądanym lekiem, który następnie nakłada się na tkankę docelowego obszaru. Lek przechodzi przez tkankę na drodze dyfuzji , czyli procesu, w którym substancje przechodzą przez błonę z wysokiego do niskiego stężenia . Szybkość podawania leku można zmienić, zmieniając skład nanotkaniny.

Inżynieria tkankowa

Włókniny wykonane metodą elektroprzędzenia mogą potencjalnie wspomagać wzrost tkanki narządów, kości , neuronów , ścięgien i więzadeł . Nanowłókna polimerowe mogą działać jako rusztowanie podtrzymujące uszkodzoną tkankę lub jako syntetyczny substytut rzeczywistej tkanki. W zależności od funkcji nanotkanina może być wykonana z polimerów naturalnych lub syntetycznych lub z ich kombinacji.

Implikacje środowiskowe

Wraz z postępem nanotechnologii przeprowadzono wiele badań w celu określenia wpływu materiałów nanoinżynieryjnych na środowisko . Większość tekstyliów może stracić do 20% swojej masy w ciągu swojego życia, więc nanocząstki używane do produkcji nanomateriałów są narażone na przedostanie się do powietrza i dróg wodnych.

nanosrebro będzie miało aż 49,5% światowej produkcji na przemysł nanotekstylny ze względu na swoje właściwości antybakteryjne . Przewiduje się, że 20% nanosrebra wykorzystywanego w przemyśle nanowłókien zostanie uwolnione do dróg wodnych, co może zaszkodzić mikroorganizmom. Jednak ponad 90% nanosrebra jest usuwane podczas oczyszczania w oczyszczalniach ścieków, więc prawdopodobne jest, że wpływ na środowisko będzie minimalny. Badanie nanocząstek tlenku glinu wykazało, że wdychanie powodowało stan zapalny w płucach szczurów. Nanocząsteczki tlenku glinu nie są używane w dużych ilościach, więc zagrożenie dla zdrowia jest znikome. Inne badania przeprowadzone na nanocząstkach sugerują, że ich wpływ na środowisko powinien być niski, ponieważ przemysł nanotekstylny nadal się rozwija.

Linki zewnętrzne