Nanofaser - Nanofiber
Nanofasern sind Fasern mit Durchmessern im Nanometerbereich . Nanofasern können aus unterschiedlichen Polymeren erzeugt werden und haben daher unterschiedliche physikalische Eigenschaften und Anwendungspotenziale. Beispiele für natürliche Polymere umfassen Kollagen , Cellulose , Seidenfibroin , Keratin , Gelatine und Polysaccharide wie Chitosan und Alginat . Beispiele für synthetische Polymere umfassen Poly(milchsäure) (PLA), Polycaprolacton (PCL), Polyurethan (PU), Poly(milchsäure-co-glycolsäure) (PLGA), Poly(3-hydroxybutyrat-co-3-hydroxyvalerat) ( PHBV) und Poly(ethylen-co-vinylacetat) (PEVA). Polymerketten sind über kovalente Bindungen verbunden . Die Durchmesser von Nanofasern hängen von der Art des verwendeten Polymers und dem Herstellungsverfahren ab. Alle Polymer-Nanofasern sind aufgrund ihres großen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses, ihrer hohen Porosität, ihrer bemerkenswerten mechanischen Festigkeit und ihrer Flexibilität bei der Funktionalisierung im Vergleich zu ihren Mikrofaser- Pendants einzigartig .
Es gibt viele verschiedene Methoden zur Herstellung von Nanofasern, darunter Ziehen, Elektrospinnen , Selbstorganisation , Templatsynthese und thermisch induzierte Phasentrennung. Elektrospinnen ist die am häufigsten verwendete Methode zur Erzeugung von Nanofasern aufgrund des einfachen Aufbaus, der Möglichkeit, kontinuierliche Nanofasern aus verschiedenen Polymeren in Massenproduktion herzustellen, und der Möglichkeit, ultradünne Fasern mit kontrollierbaren Durchmessern, Zusammensetzungen und Orientierungen zu erzeugen. Diese Flexibilität ermöglicht die Steuerung der Form und Anordnung der Fasern, so dass je nach beabsichtigtem Anwendungszweck unterschiedliche Strukturen ( dh hohl, flach und bandförmig) hergestellt werden können. Mit einem innovativen Schmelzverarbeitungsverfahren, das für die industrielle Massenproduktion geeignet ist, ist es Wissenschaftlern und Ingenieuren der University of Minnesota gelungen, Nanofasern mit einer Dicke von nur 36 nm herzustellen.
Nanofasern haben viele mögliche technologische und kommerzielle Anwendungen. Sie werden in Tissue Engineering, Drug Delivery, Seed-Coating-Material, Krebsdiagnose, Lithium-Luft-Batterie, optischen Sensoren und Luftfiltration eingesetzt.
Geschichte der Nanofaserproduktion
Nanofasern wurden erstmals vor mehr als vier Jahrhunderten durch Elektrospinnen hergestellt . Beginnend mit der Entwicklung des Elektrospinnverfahrens dokumentierte der englische Physiker William Gilbert (1544-1603) erstmals die elektrostatische Anziehung zwischen Flüssigkeiten, indem er ein Experiment vorbereitete, in dem er beobachtete, wie sich ein kugelförmiger Wassertropfen auf einer trockenen Oberfläche in eine Kegelform verformte, wenn er gehalten wurde unter einem elektrisch geladenen Bernstein. Diese Verformung wurde später als Taylor-Kegel bekannt . Im Jahr 1882 analysierte der englische Physiker Lord Rayleigh (1842-1919) die instabilen Zustände elektrisch geladener Flüssigkeitströpfchen und stellte fest, dass die Flüssigkeit in winzigen Strahlen ausgestoßen wurde, wenn sich ein Gleichgewicht zwischen Oberflächenspannung und elektrostatischer Kraft einstellte . 1887 veröffentlichte der britische Physiker Charles Vernon Boys (1855-1944) ein Manuskript über die Entwicklung und Herstellung von Nanofasern. 1900 meldete der amerikanische Erfinder John Francis Cooley (1861-1903) das erste moderne Elektrospinn-Patent an.
Anton Formhals war der erste, der zwischen 1934 und 1944 die Herstellung von Nanofasern versuchte und das erste Patent veröffentlichte, das die experimentelle Herstellung von Nanofasern beschreibt. 1966 veröffentlichte Harold Simons ein Patent für ein Gerät, das dünne und leichte Nanofaserstoffe mit unterschiedlichen Motiven herstellen konnte.
Erst Ende des 20. Jahrhunderts wurden die Wörter Elektrospinnen und Nanofaser unter Wissenschaftlern und Forschern zum Sprachgebrauch. Elektrospinnen wird bis heute weiterentwickelt.
Synthesemethoden
Es gibt viele chemische und mechanische Techniken zur Herstellung von Nanofasern.
Elektrospinnen
Elektrospinnen ist die am häufigsten verwendete Methode zur Herstellung von Nanofasern. Zu den für das Elektrospinnen notwendigen Instrumenten gehören eine Hochspannungsquelle, ein Kapillarröhrchen mit einer Pipette oder Nadel mit kleinem Durchmesser und ein Metallsammelsieb. Eine Elektrode wird in die Polymerlösung eingebracht und die andere Elektrode wird am Kollektor befestigt. An das Ende des Kapillarröhrchens, das die durch ihre Oberflächenspannung gehaltene Polymerlösung enthält, wird ein elektrisches Feld angelegt, das auf der Flüssigkeitsoberfläche eine Ladung bildet. Wenn die Intensität des elektrischen Felds zunimmt, verlängert sich die halbkugelförmige Oberfläche der Flüssigkeit an der Spitze des Kapillarröhrchens, um eine konische Form zu bilden, die als Taylor-Kegel bekannt ist . Ein kritischer Wert wird bei weiterer Zunahme des elektrischen Feldes erreicht, bei dem die abstoßende elektrostatische Kraft die Oberflächenspannung überwindet und der geladene Flüssigkeitsstrahl aus der Spitze des Taylor-Kegels ausgestoßen wird. Der ausgestoßene Polymerlösungsstrahl ist instabil und verlängert sich infolgedessen, wodurch der Strahl sehr lang und dünn werden kann. Geladene Polymerfasern verfestigen sich unter Lösungsmittelverdampfung. Auf dem Kollektor werden zufällig orientierte Nanofasern gesammelt. Nanofasern können auch in einer hochgradig ausgerichteten Weise gesammelt werden, indem spezielle Kollektoren wie die rotierende Trommel , der Metallrahmen oder ein System mit zwei parallelen Platten verwendet werden. Parameter wie Strahlstrombewegung und Polymerkonzentration müssen kontrolliert werden, um Nanofasern mit einheitlichen Durchmessern und Morphologien herzustellen.
Die Elektrospinntechnik wandelt viele Arten von Polymeren in Nanofasern um. Ein elektrogesponnenes Nanofasernetzwerk ähnelt gut der extrazellulären Matrix (ECM). Diese Ähnlichkeit ist ein großer Vorteil des Elektrospinnens, da sie die Möglichkeit eröffnet, die ECM in Bezug auf Faserdurchmesser, hohe Porosität und mechanische Eigenschaften nachzuahmen. Elektrospinnen wird für die Massenproduktion von eins nach dem anderen kontinuierlichen Nanofasern weiterentwickelt.
Thermisch induzierte Phasentrennung
Die thermisch induzierte Phasentrennung trennt eine homogene Polymerlösung durch thermodynamische Veränderungen in ein Mehrphasensystem . Das Verfahren beinhaltet fünf Schritte: polymer Auflösung , Flüssig-Flüssig- oder Flüssig-Fest - Phasentrennung, polymer Gelierung , Extraktion des Lösungsmittels aus dem Gel mit Wasser und Einfrieren und Gefriertrocknung unter Vakuum. Das thermisch induzierte Phasentrennverfahren wird häufig verwendet, um Gerüste für die Geweberegeneration zu erzeugen.
Die homogene Polymerlösung im ersten Schritt ist thermodynamisch instabil und neigt dazu, sich bei geeigneter Temperatur in polymerreiche und polymerarme Phasen zu trennen. Nach dem Entfernen des Lösungsmittels verfestigt sich schließlich die polymerreiche Phase, um die Matrix zu bilden, und die polymerarme Phase entwickelt sich zu Poren. Als nächstes können je nach gewünschtem Muster zwei Arten der Phasentrennung an der Polymerlösung durchgeführt werden. Die Flüssig-Flüssig-Trennung wird normalerweise verwendet, um bikontinuierliche Phasenstrukturen zu bilden, während die Fest-Flüssig-Phasentrennung verwendet wird, um Kristallstrukturen zu bilden. Der Gelierungsschritt spielt eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle der porösen Morphologie der nanofaserigen Matrices. Die Gelierung wird durch Temperatur, Polymerkonzentration und Lösungsmitteleigenschaften beeinflusst. Die Temperatur reguliert die Struktur des Fasernetzwerks: Eine niedrige Geliertemperatur führt zur Bildung von nanoskaligen Fasernetzwerken, während eine hohe Geliertemperatur zur Bildung einer plättchenartigen Struktur führt. Die Polymerkonzentration beeinflusst die Fasereigenschaften: Eine Erhöhung der Polymerkonzentration verringert die Porosität und erhöht die mechanischen Eigenschaften wie die Zugfestigkeit. Lösungsmitteleigenschaften beeinflussen die Morphologie der Gerüste. Nach der Gelierung wird das Gel zum Lösungsmittelaustausch in destilliertes Wasser gegeben. Danach wird das Gel aus dem Wasser entfernt und durchläuft Gefrieren und Gefriertrocknen. Es wird dann bis zur Charakterisierung in einem Exsikkator aufbewahrt.
Zeichnung
Die Ziehmethode macht lange einzelne Stränge von Nanofasern nacheinander. Der Ziehvorgang wird von einer Erstarrung begleitet, die das gelöste Spinngut in eine feste Faser umwandelt. Beim Schmelzspinnen ist ein Kühlschritt und beim Trockenspinnen ein Verdampfen des Lösungsmittels erforderlich. Eine Einschränkung besteht jedoch darin, dass durch dieses Verfahren nur ein viskoelastisches Material zu Nanofasern verarbeitet werden kann, das umfangreiche Verformungen eingehen kann und gleichzeitig eine ausreichende Kohäsion besitzt, um die beim Ziehen entwickelten Spannungen zu überstehen.
Template-Synthese
Das Templatsyntheseverfahren verwendet ein nanoporöses Membrantemplate, das aus zylindrischen Poren mit einheitlichem Durchmesser besteht, um Fibrillen (feste Nanofasern) und Tubuli (hohle Nanofasern) herzustellen . Dieses Verfahren kann verwendet werden, um Fibrillen und Röhrchen aus vielen Arten von Materialien herzustellen, einschließlich Metallen, Halbleitern und elektronisch leitfähigen Polymeren. Die gleichmäßigen Poren ermöglichen eine Kontrolle der Faserabmessungen, sodass mit diesem Verfahren Nanofasern mit sehr kleinen Durchmessern hergestellt werden können. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht jedoch darin, dass es keine kontinuierlichen Nanofasern einzeln herstellen kann.
Selbstmontage
Die Selbstorganisation Technik wird verwendet zur Erzeugung Peptid - Nanofasern und Peptid Amphiphile . Die Methode wurde durch den natürlichen Faltungsprozess von Aminosäureresten inspiriert , um Proteine mit einzigartigen dreidimensionalen Strukturen zu bilden. Der Selbstorganisationsprozess von Peptid-Nanofasern beinhaltet verschiedene treibende Kräfte wie hydrophobe Wechselwirkungen , elektrostatische Kräfte , Wasserstoffbrückenbindungen und Van-der-Waals-Kräfte und wird durch äußere Bedingungen wie Ionenstärke und pH-Wert beeinflusst .
Polymermaterialien
Aufgrund ihrer hohen Porosität und ihres großen Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisses werden Nanofasern häufig zum Bau von Gerüsten für biologische Anwendungen verwendet. Wichtige Beispiele für natürliche Polymere, die in der Gerüstherstellung verwendet werden , sind Kollagen , Cellulose , Seidenfibroin , Keratin , Gelatine und Polysaccharide wie Chitosan und Alginat . Kollagen ist ein natürlicher extrazellulärer Bestandteil vieler Bindegewebe . Seine fibrilläre Struktur, deren Durchmesser zwischen 50 und 500 nm variiert, ist wichtig für die Zellerkennung, Anheftung, Proliferation und Differenzierung. Unter Verwendung von Typ-I-Kollagen- Nanofasern, die durch Elektrospinnen hergestellt wurden, haben Shih et al. fanden heraus, dass das konstruierte Kollagengerüst mit zunehmendem Faserdurchmesser eine Zunahme der Zelladhäsion und eine Abnahme der Zellmigration zeigte. Kim et al. beobachteten eine vollständige Knochenverbindung nach 8 Wochen und eine vollständige Heilung der Defekte nach 12 Wochen, während die Kontrolle, bei der der Knochen kein Gerüst aufwies, eine begrenzte Reparatur von Defekten im gleichen Zeitraum zeigte. In ähnlicher Weise zeigen Keratin , Gelatine , Chitosan und Alginat eine ausgezeichnete Biokompatibilität und Bioaktivität in Gerüsten.
Die zelluläre Erkennung natürlicher Polymere kann jedoch leicht eine Immunantwort initiieren. Folglich werden synthetische Polymere wie Poly(milchsäure) (PLA), Polycaprolacton (PCL), Polyurethan (PU), Poly(milch-co-glycolsäure) (PLGA), Poly(L-lactid) (PLLA) und Poly (Ethylen-Co-Vinylacetat) (PEVA) wurden als Alternativen zur Integration in Gerüste entwickelt. Da diese synthetischen Polymere biologisch abbaubar und biokompatibel sind, können Matrices mit einem Faserdurchmesser im Nanometerbereich gebildet werden. Aus diesen synthetischen Polymeren hat PCL unter Forschern große Begeisterung geweckt. PCL ist ein biologisch abbaubarer Polyestertyp, der durch ringöffnende Polymerisation von ε-Caprolacton unter Verwendung von Katalysatoren hergestellt werden kann . Es zeigt eine geringe Toxizität, geringe Kosten und einen langsamen Abbau. PCL kann mit anderen Materialien wie Gelatine, Kollagen, Chitosan und Calciumphosphat kombiniert werden, um die Differenzierungs- und Proliferationskapazität zu verbessern (2, 17). PLLA ist ein weiteres beliebtes synthetisches Polymer. PLLA ist bekannt für seine hervorragenden mechanischen Eigenschaften, biologische Abbaubarkeit und Biokompatibilität. Es zeigt eine effiziente Zellmigrationsfähigkeit aufgrund seiner hohen räumlichen Interkonnektivität, hohen Porosität und kontrollierten Ausrichtung. Eine Mischung aus PLLA- und PLGA-Gerüstmatrix hat die richtige biomimetische Struktur, gute mechanische Festigkeit und günstige Bioaktivität gezeigt.
Anwendungen
Gewebetechnik
Beim Tissue Engineering wird eine hochporöse künstliche extrazelluläre Matrix benötigt, um das Zellwachstum und die Geweberegeneration zu unterstützen und zu steuern. Zur Herstellung solcher Gerüste wurden natürliche und synthetische biologisch abbaubare Polymere verwendet.
Simon zeigte 1988 in einem NIH-SBIR-Zuschussbericht, dass Elektrospinnen verwendet werden könnte, um Polystyrol- und Polycarbonat-Fasermatten im Nano- und Submikrometerbereich herzustellen, die speziell für die Verwendung als In-vitro-Zellsubstrate bestimmt sind. Diese frühe Verwendung von elektrogesponnenen Fasergittern für die Zellkultur und Gewebezüchtung zeigte, dass menschliche Vorhautfibroblasten (HFF), transformiertes menschliches Karzinom (HEp-2) und Nerzlungenepithel (MLE) an den Fasern anhaften und sich darauf vermehren.
Nanofasergerüste werden beim Knochengewebe-Engineering verwendet, um die natürliche extrazelluläre Matrix der Knochen nachzuahmen. Das Knochengewebe ist entweder in einem kompakten oder trabekulären Muster angeordnet und besteht aus organisierten Strukturen, die in der Länge vom Zentimeterbereich bis zur Nanometerskala variieren. Nichtmineralisierte organische Komponenten (dh Typ-1-Kollagen ), mineralisierte anorganische Komponenten (dh Hydroxyapatit ) und viele andere nicht-kollagene Matrixproteine (dh Glykoproteine und Proteoglykane ) bilden die Nanokompositstruktur der Knochen-ECM. Die organischen Kollagenfasern und die anorganischen Mineralsalze verleihen der ECM Flexibilität bzw. Zähigkeit.
Obwohl der Knochen ein dynamisches Gewebe ist , dass kann auf kleinere Verletzungen selbst heilen, kann es nicht regenerieren , nachdem große Defekte wie Knochentumor erleben Resektionen und schwere nicht geheilte Brüche , weil es die entsprechende Vorlage fehlt. Derzeit ist die Standardbehandlung die Autotransplantation , bei der der Spenderknochen von einer nicht signifikanten und leicht zugänglichen Stelle (dh Beckenkamm ) im eigenen Körper des Patienten entnommen und in die defekte Stelle transplantiert wird. Die Transplantation von autologem Knochen hat das beste klinische Ergebnis, da sie sich zuverlässig in den Wirtsknochen integriert und Komplikationen mit dem Immunsystem vermeiden kann. Seine Verwendung ist jedoch durch sein knappes Angebot und die mit dem Entnahmeverfahren verbundene Morbidität an der Entnahmestelle begrenzt. Darüber hinaus sind autotransplantierte Knochen avaskulär und daher von der Diffusion von Nährstoffen abhängig , was ihre Lebensfähigkeit im Wirt beeinträchtigt. Aufgrund der hohen Remodellierungsraten im Körper können die Transplantate auch vor Abschluss der Osteogenese resorbiert werden. Eine andere Strategie zur Behandlung schwerer Knochenschäden ist die Allotransplantation, bei der Knochen transplantiert werden, die einer menschlichen Leiche entnommen wurden. Allotransplantate bringen jedoch das Risiko einer Erkrankung und Infektion in den Wirt mit sich.
Das Knochengewebe-Engineering bietet eine vielseitige Antwort zur Behandlung von Knochenverletzungen und -deformationen. Durch Elektrospinnen hergestellte Nanofasern ahmen die Architektur und die Eigenschaften der natürlichen extrazellulären Matrix besonders gut nach. Diese Gerüste können verwendet werden, um bioaktive Wirkstoffe abzugeben, die die Geweberegeneration fördern. Diese bioaktiven Materialien sollten idealerweise osteoinduktiv , osteokonduktiv und osseointegrierbar sein . Knochenersatzmaterialien, die autologen oder allogenen Knochen ersetzen sollen, bestehen aus bioaktiven Keramiken, bioaktiven Gläsern sowie biologischen und synthetischen Polymeren. Grundlage des Bone Tissue Engineering ist, dass die Materialien im Laufe der Zeit resorbiert und durch körpereigenes, neu regeneriertes biologisches Gewebe ersetzt werden.
Tissue Engineering beschränkt sich nicht nur auf den Knochen: Auch Knorpel, Bänder, Skelettmuskeln, Haut, Blutgefäße und neurales Tissue Engineering werden intensiv erforscht.
Arzneimittelabgabe
Die erfolgreiche Abgabe von Therapeutika an das beabsichtigte Ziel hängt weitgehend von der Wahl des Arzneimittelträgers ab. Zu den Kriterien für einen idealen Wirkstoffträger gehören die maximale Wirkung bei der Abgabe des Wirkstoffs an das Zielorgan, die Umgehung des körpereigenen Immunsystems beim Erreichen des Organs, das Zurückhalten der therapeutischen Moleküle von den Vorbereitungsstadien bis zur endgültigen Abgabe des Wirkstoffs Arzneimittel und die richtige Freisetzung des Arzneimittels zur Ausübung der beabsichtigten therapeutischen Wirkung. Nanofasern werden als möglicher Wirkstoffträgerkandidat untersucht. Natürliche Polymere wie Gelatine und Alginat stellen aufgrund ihrer Biokompatibilität und biologischen Abbaubarkeit gute Herstellungsbiomaterialien für Träger-Nanofasern dar , die zu keiner Schädigung des Gewebes des Wirts bzw. zu keiner toxischen Anreicherung im menschlichen Körper führen. Nanofasern besitzen aufgrund ihrer zylindrischen Morphologie ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Als Ergebnis besitzen die Fasern eine hohe Wirkstoffbeladungskapazität und können therapeutische Moleküle über einen großen Oberflächenbereich freisetzen. Während das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen bei sphärischen Vesikel nur durch Einstellen des Radius gesteuert werden kann, haben Nanofasern mehr Freiheitsgrade bei der Steuerung des Verhältnisses durch Variation sowohl der Länge als auch des Querschnittsradius. Diese Einstellbarkeit ist wichtig für ihre Anwendung in Arzneimittelabgabesystemen, in denen die funktionellen Parameter präzise gesteuert werden müssen.
Vorläufige Studien weisen darauf hin, dass Antibiotika und Krebsmedikamente in elektrogesponnene Nanofasern eingekapselt werden können, indem das Medikament vor dem Elektrospinnen in die Polymerlösung gegeben wird. Oberflächenbeladene Nanofasergerüste sind als Adhäsionsbarrieren zwischen inneren Organen und Geweben nach der Operation nützlich. Adhäsionen treten während des Heilungsprozesses auf und können zu Komplikationen wie chronischen Schmerzen und Reoperationsversagen führen.
Krebsdiagnose
Obwohl die pathologische Untersuchung die gegenwärtige Standardmethode zur molekularen Charakterisierung bei der Prüfung auf das Vorhandensein von Biomarkern in Tumoren ist, können diese Einzelprobenanalysen der vielfältigen genomischen Natur von Tumoren nicht Rechnung tragen. Angesichts des invasiven Charakters, der psychischen Belastung und der finanziellen Belastung durch wiederholte Tumorbiopsien bei Patienten bieten Biomarker, die durch minimal-invasive Verfahren wie Blutentnahmen beurteilt werden könnten, eine Chance für den Fortschritt in der Präzisionsmedizin.
Die Flüssigbiopsie ist eine immer beliebter werdende Alternative zur Biopsie von soliden Tumoren. Dies ist einfach eine Blutabnahme, die zirkulierende Tumorzellen (CTCs) enthält, die von soliden Tumoren in den Blutkreislauf abgegeben werden. Patienten mit metastasierendem Krebs haben eher nachweisbare CTCs im Blutkreislauf, aber CTCs kommen auch bei Patienten mit lokalisierten Erkrankungen vor. Es wurde festgestellt, dass die Anzahl der CTCs, die im Blutkreislauf von Patienten mit metastasierendem Prostata- und Dickdarmkrebs vorhanden sind, prognostisch für das Gesamtüberleben von Tumoren ist. Es wurde auch gezeigt, dass CTCs die Prognose in früheren Stadien der Krankheit beeinflussen.
Kürzlich haben Ke et al. einen NanoVelcro-Chip entwickelt, der die CTCs aus den Blutproben erfasst. Wenn Blut durch den Chip geleitet wird, binden die mit Protein-Antikörpern beschichteten Nanofasern an die Proteine, die auf der Oberfläche von Krebszellen exprimiert werden und wirken wie ein Klettverschluss, um CTCs für die Analyse einzufangen. Die NanoVelcro CTC-Assays wurden in drei Generationen entwickelt. Der NanoVelcro-Chip der ersten Generation wurde für die CTC-Zählung für die Krebsprognose, das Staging und die dynamische Überwachung entwickelt. Das NanoVelcro-LCM der zweiten Generation wurde für die Einzelzell-CTC-Isolierung entwickelt. Die einzeln isolierten CTCs können einer Single-CTC-Genotypisierung unterzogen werden. Der thermoresponsive Chip der dritten Generation ermöglichte die CTC-Aufreinigung. Die Nanofaser-Polymerbürsten unterliegen temperaturabhängigen Konformationsänderungen, um CTCs einzufangen und freizugeben.
Lithium-Luft-Batterie
Unter vielen fortschrittlichen elektrochemischen Energiespeichern sind wiederaufladbare Lithium-Luft-Batterien aufgrund ihrer beträchtlichen Energiespeicherkapazitäten und hohen Leistungsdichten von besonderem Interesse. Während des Betriebs der Batterie verbinden sich Lithium- Ionen mit Sauerstoff aus der Luft zu Partikeln von Lithiumoxiden , die sich an den Kohlefasern der Elektrode anlagern . Beim Aufladen trennen sich die Lithiumoxide wieder in Lithium und Sauerstoff, der wieder an die Atmosphäre abgegeben wird. Diese Umwandlungssequenz ist sehr ineffizient, da zwischen der Ausgangsspannung und der Ladespannung der Batterie eine signifikante Spannungsdifferenz von mehr als 1,2 Volt besteht, was bedeutet, dass etwa 30% der elektrischen Energie beim Laden der Batterie als Wärme verloren geht. Auch die großen Volumenänderungen, die sich aus der kontinuierlichen Umwandlung von Sauerstoff zwischen seinem gasförmigen und festen Zustand ergeben, belasten die Elektrode und schränken ihre Lebensdauer ein.
Die Leistung dieser Batterien hängt von den Eigenschaften des Materials ab, aus dem die Kathode besteht . Kohlenstoffmaterialien werden wegen ihrer ausgezeichneten elektrischen Leitfähigkeiten, großen Oberflächen und chemischen Stabilität häufig als Kathoden verwendet. Besonders relevant für Lithium-Luft-Batterien fungieren Kohlenstoffmaterialien als Substrate für das Tragen von Metalloxiden. Binderfreie elektrogesponnene Kohlenstoffnanofasern sind besonders gute potenzielle Kandidaten für die Verwendung in Elektroden in Lithium-Sauerstoff-Batterien, da sie keine Binder aufweisen, offene makroporöse Strukturen aufweisen, Kohlenstoffe aufweisen, die die Sauerstoffreduktionsreaktionen unterstützen und katalysieren, und vielseitig einsetzbar sind.
Zhuet al. entwickelten eine neuartige Kathode , die Lithium und Sauerstoff in der von ihnen Nanolithia genannten Elektrode speichern kann , einer Matrix aus Kohlenstoff - Nanofasern , die regelmäßig in Kobaltoxid eingebettet ist . Diese Kobaltoxide verleihen dem normalerweise instabilen Superoxid enthaltenden Nanolithia Stabilität. Bei dieser Konstruktion wird Sauerstoff als LiO 2 gespeichert und wandelt sich beim Laden und Entladen nicht zwischen gasförmiger und fester Form um. Wenn sich die Batterie entlädt, reagieren Lithiumionen in Nanolithia und reagieren mit Superoxidsauerstoff der Matrix, um Li 2 O 2 und Li 2 O zu bilden. Der Sauerstoff bleibt in seinem festen Zustand, wenn er zwischen diesen Formen übergeht. Die chemischen Reaktionen dieser Übergänge liefern elektrische Energie. Beim Laden erfolgen die Übergänge umgekehrt.
Optische Sensoren
Optische Polymerfasern haben in den letzten Jahren zunehmendes Interesse geweckt. Aufgrund der geringen Kosten, der einfachen Handhabung, der Transparenz bei langen Wellenlängen , der großen Flexibilität und der Biokompatibilität bieten optische Polymerfasern ein großes Potenzial für die Vernetzung über kurze Distanzen, die optische Sensorik und die Leistungsabgabe.
Elektrogesponnene Nanofasern eignen sich besonders gut für optische Sensoren, da die Sensorempfindlichkeit mit zunehmender Oberfläche pro Masseneinheit zunimmt. Die optische Sensorik funktioniert durch die Detektion von interessierenden Ionen und Molekülen über einen Fluoreszenzlöschungsmechanismus . Wanget al. entwickelten erfolgreich optische Nanofaser-Dünnschichtsensoren für die Detektion von Metallionen (Fe 3+ und Hg 2+ ) und 2,4-Dinitrotoluol (DNT) unter Verwendung der Elektrospinntechnik.
Quantenpunkte zeigen nützliche optische und elektrische Eigenschaften, einschließlich hoher optischer Verstärkung und photochemischer Stabilität. Eine Vielzahl von Quantenpunkten wurde erfolgreich in Polymer-Nanofasern eingebaut. Meng et al. zeigten, dass ein Quantenpunkt-dotierter Polymer-Nanofaser-Sensor für die Feuchtigkeitsdetektion eine schnelle Reaktion, hohe Empfindlichkeit und Langzeitstabilität bei niedrigem Stromverbrauch zeigt.
Kellyet al. einen Sensor entwickelt, der Ersthelfer warnt, wenn die Kohlefilter in ihren Atemschutzmasken mit giftigen Rauchpartikeln gesättigt sind. Die Beatmungsgeräte typischerweise aktiviert enthalten Kohle , die Luft Toxinen einfängt. Wenn die Filter gesättigt sind, beginnen Chemikalien durch und machen die Atemschutzgeräte unbrauchbar. Um leicht feststellen zu können, wann der Filter verbraucht ist, entwickelten Kelly und sein Team eine Maske, die mit einem Sensor ausgestattet ist, der aus Kohlenstoff-Nanofasern besteht, die zu sich wiederholenden Strukturen zusammengesetzt sind, die als photonische Kristalle bezeichnet werden und bestimmte Lichtwellenlängen reflektieren. Die Sensoren weisen eine schillernde Farbe auf, die sich ändert, wenn die Fasern Giftstoffe aufnehmen.
Luftfilterung
Elektrogesponnene Nanofasern sind nützlich, um flüchtige organische Verbindungen (VOC) aus der Atmosphäre zu entfernen . Schölten et al. zeigten, dass die Adsorption und Desorption von VOC durch elektrogesponnene Nanofasermembranen schneller waren als die Geschwindigkeiten von konventioneller Aktivkohle.
Eine Kontamination durch die Luft in den Personalkabinen von Bergbauausrüstung ist für die Bergbauarbeiter, Bergbauunternehmen und Regierungsbehörden wie die Mine Safety and Health Administration (MSHA) besorgniserregend. Jüngste Arbeiten mit Bergbaumaschinenherstellern und der MSHA haben gezeigt, dass Nanofaser-Filtermedien die Staubkonzentration in der Kabine im Vergleich zu Standard- Zellulose- Filtermedien stärker reduzieren können .
Nanofasern können in Masken verwendet werden, um Menschen vor Viren , Bakterien , Smog , Staub , Allergenen und anderen Partikeln zu schützen . Die Filtrationseffizienz liegt bei etwa 99,9 % und das Filtrationsprinzip ist mechanisch. Partikel in der Luft sind größer als Poren im Nanofasergewebe, aber Sauerstoffpartikel sind klein genug, um durchzukommen.
Öl-Wasser-Trennung
Nanofasern haben die Fähigkeit zur Öl-Wasser-Trennung, insbesondere bei Sorptionsprozessen, wenn das verwendete Material oleophile und hydrophobe Oberflächen aufweist. Diese Eigenschaften ermöglichen die Verwendung der Nanofasern als Werkzeug zur Bekämpfung von ölhaltigem Abwasser aus Haushalts- und Industrietätigkeiten oder ölhaltigem Meerwasser, das beim Öltransport und bei der Reinigung von Öltanks auf einem Schiff in den Ozean gelangt.
Sportbekleidungstextilien
Sportbekleidungstextilien mit Nanofaser-Membran im Inneren basieren auf der modernen Nanofaser-Technologie, bei der der Kern der Membran aus Fasern besteht, die einen Durchmesser von 1000x dünner als menschliches Haar haben. Dieses extrem dichte "Sieb" mit mehr als 2,5 Milliarden Poren pro Quadratzentimeter arbeitet viel effizienter bei der Dampfableitung und bringt eine bessere Wasserbeständigkeit. In der Sprache der Zahlen bringt das Nanofaser-Textil folgende Parameter mit:
· RET 1.0 Dampfdurchlässigkeit und 10.000 mm Wassersäule (Version bevorzugt Atmungsaktivität)
· RET 4.8 Dampfdurchlässigkeit und 30.000 mm Wassersäule (Version bevorzugt Wasserbeständigkeit)
Nanofaser-Bekleidungs- und Schuhmembranen bestehen aus Polyurethan, sodass ihre Herstellung nicht schädlich für die Natur ist. Membranen zu Sportbekleidung aus Nanofasern sind recycelbar .