近场静电纺丝用于具有高表面率的三维堆积纳米结构

供稿人:郝冠哲 贺健康
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

近场静电纺丝（NFES）的开发是为了克服传统静电纺丝工艺的固有不稳定性，其通过减小打印接收距离来促进纳米纤维在高压电场作用下可控堆积。 该技术为二维（2D）纳米纤维的精确图案化提供了一种简单而通用的方法。 但是，该技术在精确地构建三维纳米结构方面仍然面临着挑战。

国立蔚山科学技术院生命科学学院的研究者提出了一种3D近场静电纺丝直写技术，该技术通过调节打印材料的电导率来构建自对准，无模板的三维堆叠纳米结构。

首先，实验通过向聚合物溶液（PEO）中加入氯化钠来调节材料的导电性，通过电场仿真模拟表明材料导电性的提高可以使得电场分布均匀及纤维表面电荷密度减小，且实际打印结果表明向打印材料中添加氯化钠的使得纤维堆积更加精确。

图1 (A)打印系统示意图。(B-E)分析建模，电荷密度分析结果，电场强度分析结果，表面电荷密度分析图。(F)实际打印结果图

其次，通过调节材料中氯化钠的浓度可以实现纤维线径的变化，随着堆积层数的提高，三维堆积的纳米结构其表面率也逐渐增大（图2）。并且通过设定打印程序，该打印工艺可实现多种微纳结构的打印（图3）。

图2. (A-B)氯化钠浓度引起纤维直径变化。(C-D)表面率随打印层数的变化

图3.(A)直线单墙阵列结构。(B)圆弧单墙阵列结构。(c)网格结构。 (D)纳米桥结构

综上，该方法通过向聚合物溶液中加入氯化钠来调节电导率，使得沉积纤维表面电荷密度降低，纤维间的静电排斥减弱，为解决静电打印无法实现纳米尺度纤维精确堆积成三维结构的问题提供了一种新的思路，最终实现了多种三维结构的打印。

参考文献：
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.