Sợi nano chế tạo bằng phương pháp electrospinning và tiềm năng ứng dụng

1/2/2020 1:15 AM

Vật liệu sợi nano được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như y sinh, môi trường, năng lượng, cảm biến v.v... do chúng có những đặc tính như diện tích bề mặt, độ xốp và độ bền kéo lớn. Có nhiều phương pháp để chế tạo vật liệu nano dạng sợi, trong đó có kỹ thuật electrospinning. Kỹ thuật này đã được chứng minh là một trong những phương pháp đơn giản để tạo sợi có đường kính từ vài chục nano mét đến vài micro mét. Bằng phương pháp này, nhiều sợi nano đã được chế tạo từ polyme tự nhiên (zein, collagen, silk, chitosan...) hay polyme tổng hợp (polycaprolactone, polyacrylnitrile, polyether imide, nylon, polyvinyl alcohol...), kim loại (Fe, Co, Ni, Pt...), ceramic (GeO2, ZrO2, ZnO/SnO2MgTiO3), và composite. Hình 1 thể hiện cấu tạo cơ bản của một hệ thống electrospinning.


Hình 1. Hệ thống electrospinning

(1) bộ cung cấp điện áp cao, (2) xylanh chứa dung dịch và bơm micro lít, (3) bộ thu sợi nano

          Màng sợi nano chế tạo bằng phương pháp electrospinning đã được nghiên cứu ứng dụng trong xử lý môi trường để loại bỏ các hạt bụi, chất màu, kim loại nặng trong không khí và nước. Màng lọc không khí chế tạo bởi sợi nano polyacrylonitrile có dạng trong suốt, cho phép không khí lưu thông tốt và có khả năng tách > 95% hạt bụi PM2,5 (điều kiện không khí đạt đến mức cực kỳ nguy hiểm đến sức khỏe, nồng độ hạt bụi PM2,5 > 250 μg/m3. Tương tự như vậy, màng lọc sợi nano cũng có khả năng tách hiệu quả các hạt có kích thước 3÷10 μm trong nước. Ngoài ra, màng sợi này cũng có thể tách các ion độc hại như ion kim loại nặng, photphat và các chất hữu cơ gây ô nhiễm như chất nhuộm, thuốc trừ sâu... thông qua cơ chế hấp phụ vật lý, hóa học hoặc tĩnh điện.

          Các sợi nano polyme, ceramic và cacbon đã được đưa vào thử nghiệm trong xúc tác, năng lượng, quang tử và thiết bị điện. Do có diện tích bề mặt lớn, độ xốp lớn và độ ổn định cao, các sợi nano này là chất mang tốt cho enzym và kim loại trong lĩnh vực xúc tác. Khi chế tạo bằng các thành phần thích hợp, sợi nano có thể làm tăng khả năng dẫn của các electron và ion, mở ra cánh cửa mới trong lĩnh vực thu, chuyển hóa và dự trữ năng lượng. Ví dụ đáng chú ý bao gồm sử dụng sợi nano làm điện cực hay màng cho chế tạo pin năng lượng mặt trời, pin sạc, tụ điện và pin nhiên liệu. Bằng các thiết bị này có thể thu năng lượng từ các nguồn khác nhau và chuyển hóa về dạng năng lượng điện và dự trữ trong các thiết bị. Khả năng biến đổi trong thành phần, cấu trúc, hình thái và sự sắp xếp có định hướng của sợi nano cho phép sử dụng chúng trong chế tạo các thiết bị điện và quang ví dụ như tranzito hiệu ứng trường (FET) hay điốt phát sáng (LED).

          Bằng cách biến đổi cấu trúc và tính chất, khung 2D và 3D từ sợi nano được thiết kế để kiểm soát sự cư trú và phân chia của tế bào, giúp tăng cường sự tái tạo và sinh trưởng của nhiều lại mô (ví dụ như da, thần kinh, tim, mạch máu và mô xương). Sợi nano cũng là vật liệu mang thuốc với mục đích kiểm soát sự giải phóng của thuốc, giúp kéo dài thời gian sử dụng thuốc, giảm tác dụng phụ. Màng sợi nano mang thuốc hoặc các hoạt chất có thể làm tăng khả năng chữa lành vết thương do chúng có thể cầm máu, găn cản vi khuẩn xâm nhập, trao đổi không khí tốt, thấm dịch tốt.

          Với sự phát triển không ngừng của kỹ thuật electrospinning, vật liệu sợi nano đang được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến. Với cấu trúc màng sợi nano có trật tự, khả năng làm việc của cảm biến bao gồm độ nhạy, tốc độ đáp ứng, độ lặp lại, độ ổn định được tăng lên đáng kể.  Màng sợi nano cũng có thể được lựa chọn để thay thế các vật liệu màng rắn để tăng khả năng làm việc của cảm biến.

          Hiện nay, vật liệu sợi nano chế tạo bằng phương pháp electrospinning vẫn là hướng nghiên cứu sẽ được tiếp tục trong tương lai để chế tạo các vật liệu thông minh giải quyết các vấn đề về môi trường, năng lượng và đời sống.

Tài liệu tham khảo:

1. J. Xue, T. Wu, Y. Dai, Y. Xia, Electrospinning and electrospun nanofibers: methods, materials, and applications, Chem. Rev, 2019, 119, 5298-5415.

2. S. Thenmozhi, N. Dharmaraj, K. Kadirvelu, H. Y. Kim, Electrospun nanofibers: New generation materials for advanced applications, Mater. Sci. Eng. B, 2017, 217, 36-48.
TS. Nguyễn Thị Thu Thủy