摘要：研究人员描述了一种生产纳米纤维的新技术，可提高四倍产率，同时减少超过90%的能量消耗，这提高了廉价高效纳米纤维生产的前景。

 

微米纤维发射器的扫描电子显微镜照片，在其两面刻蚀有矩形阵列。（图片由研究人员提供）

纳米纤维——直径仅为数百纳米的聚合物长丝——具有巨大的应用潜力，包括太阳能电池、水过滤、燃料电池。但截止目前为止，制造成本高，使其只能进入少数几个行业。

在最新一期的《纳米技术》（Nanotechnology）上，MIT研究人员描述了一种生产纳米纤维的新技术，可提高四倍产率，并减小超过90%的能耗，这提高了廉价高效纳米纤维生产的前景。

“通过领先的静电纺丝技术生产纳米纤维，被证明是系统化途径。”领导该研究的MIT微系统技术实验室首席研究科学家Luis Fernando Velásquez-García说，“这种方法开启了巨大的可能性。我们小组以及其他许多小组正在进一步推动3D打印，使其有可能打印不同领域间传感、驱动、转化能量（如太阳能转化成电能或机械能）的元件。发射器阵列可看成是一个点阵打印机，可单独控制每个发射器打印纳米纤维。”

纠缠的故事（Tangled tale）

纳米纤维在那些需要比表面积与体积的比值高的任何应用领域内都非常有用，比如尝试最大限度的暴露于太阳光下的太阳能电池、在表面发生催化反应的燃料电池电极。纳米纤维还可用作为尺寸非常小的渗透性材料，如水过滤器，或者非常坚固的，比如盔甲。

制造纳米纤维的常规方法是静电纺丝，并延伸出两种不同的方法。第一种，通过泵，使聚合物溶液穿过一个很小的喷嘴，然后利用强电场将其伸出。然而，这个过程很缓慢，每单位面积上喷嘴的数量由液压泵的尺寸来限制。

另一种方法是在涂有金属锥的滚筒和集电极之间施加电压。金属锥被浸于聚合物溶液中，电场作用下，溶液转移至金属锥顶部，朝着电极喷射成纤维。然而，这种方法不稳定，生产出的纤维长度不均匀，所需的电压也高达100,000伏。

小想法（Thinking small）

Velásquez-García及其合作者——前机械工程硕士生Philip Ponce de Leon、Velásquez-García课题组前博士后Frances Hill（现就职于KLA-Tencor）和现在的博士后Eric Heubel——选用第二个方法，但其尺度更小，使用在微电机系统生产中常用的技术来制备致密的微型发射器阵列。该发射器尺寸较小，这减小了必要的驱动电压，且允许更多的发射器堆积在一起，从而提高生产效率。

同时，调节液体流向顶端的速率，在发射器侧面刻蚀出具有某种结构的纹理，从而高速制备均匀纤维。“我们做了各式各样的实验，结果都表明了发光均匀。” Velásquez-García如是说。

为了制备发射器，Velásquez-García及其同事采用了一种深度反应离子刻蚀的技术。在硅晶片上刻蚀出致密的微矩形阵列——横跨几十微米——这将调节液体在发射器侧面向上流动。然后将晶片切成锯齿图案，锯齿垂直安装，其底部浸于去离子水、乙醇和溶解的聚合物溶液中。

当电极至于锯齿的反面，并在它们之间施加电压时，水-乙醇混合液拖着聚合物链向上流。水和乙醇快速溶解，使得聚合物长丝在电极上纠缠。

研究人员能够在边长35毫米的正方形晶片上塞进225个数毫米长的发射器。相比于最好的商业静电纺丝设备而言，该设备所需的电压相对较低（8,000伏），每单位面积上可产生四倍数量的纤维。

新材料在线编译整理——翻译：菠菜     校正：摩天轮