Ученые научились печатать нановолокна с заданной прочностью и эластичностью

Исследователи из Университета Иллинойса и Политехнического института Ренсселера разработали метод создания случайных полимерных нановолоконных сетей с заданными характеристиками прочности и эластичности. Эти структуры имитируют природные материалы, такие как ткани человеческого тела, которые одновременно прочные и эластичные.

Напечатанная сеть полиэтиленоксидных нановолокон с 5000 волокон. Масштабная линейка — 1 мм. Автор: University of Illinois at Urbana-Champaign

Профессор Иоаннис Хасиотис объяснил: «Это большой прорыв в понимании поведения нановолоконных сетей. Теперь мы можем воспроизводить случайность с желаемыми структурными параметрами в лаборатории и с помощью компьютерной модели оптимизировать структуру сети».

«Диаметр каждого нановолокна в сети примерно в 300 раз меньше человеческого волоса. Этот малый размер придает полимерным нановолокнам особые механические свойства»

Аспирант ХёнДжу Ли разработал метод печати сетей нановолокон размером в сантиметры с помощью технологии ближнепольного электроспиннинга. Исследователи также создали компьютерную модель, которая позволяет предсказывать свойства сетей с миллионами волокон — то, что практически невозможно напечатать в лаборатории.

Схемы (a) аппарата для ближнепольного электроспиннинга и (b) устройства для механических испытаний. Автор: Soft Matter (2025). DOI: 10.1039/d4sm01288g

Размер напечатанной нановолоконной сети показан в светлом прямоугольнике на чашке Петри. Автор: University of Illinois at Urbana-Champaign

Для создания сетей использовался полимерный раствор, который выдавливался капля за каплей через тонкую иглу под высоким напряжением. Места пересечения волокон затем скреплялись термической обработкой. Особой сложностью стал процесс отделения готовых сетей от поверхности без повреждений.

Исследование опубликовано в журнале Soft Matter и открывает возможности для создания новых материалов с контролируемыми механическими свойствами для медицины и промышленности.

Интересный факт: нановолокна толщиной в 300 раз меньше человеческого волоса обладают уникальными механическими свойствами, которые невозможно получить в волокнах большего диаметра. Лаборатория профессора Хасиотиса изучает механику нановолокон уже более 20 лет.