Mendesain jaringan serat nanofiber acak, yang dioptimalkan untuk kekuatan dan ketangguhan
Dalam alam, jaringan serat acak seperti beberapa jaringan dalam tubuh manusia, kuat dan tangguh dengan kemampuan untuk tetap bersatu tetapi juga dapat meregang sangat banyak sebelum mengalami kegagalan. Mempelajari struktur acak ini—yang tampaknya alam dapat menirunya dengan sangat mudah—sangat sulit dilakukan di laboratorium dan bahkan lebih sulit lagi untuk secara akurat direproduksi dalam aplikasi rekayasa.
Berlangganan ke kaminewsletteruntuk pembaruan berita teknologi terbaru.
Baru-baru ini, para peneliti dari Grainger College of Engineering, University of Illinois Urbana-Champaign dan Rensselaer Polytechnic Institute merancang sebuah metode untuk mencetak ulang jaringan serat nanometer polimer acak dengan karakteristik yang diinginkan dan menggunakan simulasi komputer untuk menyetel karakteristik jaringan acak tersebut untuk meningkatkan kekuatan dan ketangguhan.
Ini adalah langkah besar dalam memahami bagaimana jaringan nanofiber berperilaku,” kata Ioannis Chasiotis, seorang profesor di Departemen Teknik Aeronautika. “Sekarang, untuk pertama kalinya, kita dapat mereproduksi keacakan dengan parameter struktural yang diinginkan di laboratorium, dan dengan model komputer pendamping, kita dapat mengoptimalkan struktur jaringan untuk menemukan parameter jaringan, seperti kerapatan nanofiber, yang menghasilkan kekuatan, kekakuan, dan ketangguhan jaringan yang lebih tinggi secara bersamaan.
Kelompok Chasiotis telah meneliti bagaimana serat nano bersifat mekanik selama lebih dari 20 tahun.
Untuk memberi Anda gambaran ukuran yang kami kerjakan, diameter masing-masing nanofiber dalam jaringan sekitar 300 kali lebih kecil daripada rambut manusia,” kata Chasiotis. “Diameter yang kecil ini memberikan sifat mekanik khusus pada nanofiber polimer yang tidak mungkin dimiliki oleh serat polimer dengan diameter besar.
Ia mengatakan mereka sudah memahami apa yang membuat satu serat nanos lebih kuat, lebih kaku, dan lebih tahan terhadap benturan, tetapi ketika mereka dikombinasikan untuk membentuk bahan non-woven, sifat-sifat tersebut tidak secara langsung terbawa. Itulah yang mendorong penelitian ini yang berfokus pada bagaimana serat-serat nano berinteraksi ketika berkumpul sebagai suatu jaringan.
Mahasiswa doktornya, HyongJu Lee, bekerja di laboratorium untuk mencetak jaringan serat nano berukuran praktis sebesar beberapa sentimeter melalui metode yang disebut electrospinning dekat medan. Chasiotis mengatakan bahwa mahasiswa tersebut tidak menciptakan metode electrospinning dekat medan tetapi membangun perangkat dan membuat metode tersebut bekerja untuk sampel berukuran besar, serta mengembangkan metodologi baru untuk menguji mekanik jaringan serat nano, sambil memberikan data input kepada tim pemodelan di Rensselaer Polytechnic Institute untuk mereplikasi struktur tepat dari jaringan yang dicetak dalam model komputer mereka.
Sekarang bahwa model komputasi memiliki data masukan nyata, model tersebut dapat digunakan untuk mensimulasikan jaringan serat nano yang lebih kompleks menggunakan parameter yang akan sulit diproduksi di laboratorium atau membuat prediksi untuk jaringan serat nano skala produksi yang dibuat dengan elektrospinning konvensional. Penelitian ini adalahditerbitkandalam jurnalMateri Lunak.
“Jadi, misalnya, kita sudah menguji jaringan acak yang berisi 500 hingga 5.000 serat nanometer, tetapi kita ingin tahu apa yang terjadi ketika kita memiliki jutaan serat,” kata Chasiotis.
Secara eksperimental di laboratorium, jutaan serat nano akan memakan waktu sangat lama untuk dicetak menggunakan elektrospinning dekat medan, tetapi sangat cepat untuk diproduksi menggunakan elektrospinning konvensional yang sudah digunakan untuk produksi massal di industri. Model ini dapat memperluas apa yang akan terjadi di bawah parameter yang berbeda, seperti jumlah serat nano, seberapa dekat mereka satu sama lain, dan seberapa sering mereka saling bersilang.
Untuk membuat jaringan atau mesh serat nano dengan elektrospinning dekat medan, larutan polimer digunakan satu tetes demi satu tetes sambil diekstrusi dari jarum halus, secara praktis menggambar di atas piringan silikon yang dilapisi emas menggunakan tegangan sangat tinggi. Setiap tempat di mana satu serat nano bersilang dengan yang lainnya diikat menggunakan pengobatan panas.
Untuk mempelajari sifat-sifatnya, jaringan nanofiber harus dilepas dari permukaan pengendapan, tugas yang menurut Chasiotis membawa tantangan.
Kami mungkin menghabiskan enam bulan belajar bagaimana membuat sampel uji tetap berdiri sendiri,” katanya. “Kami harus mengangkatnya dari permukaan deposisi sambil basah tanpa merusaknya. Kami memperlakukan permukaan deposisi agar menjadi licin sehingga kami bisa melepaskan jaringan serat nanomaterial. Kami juga harus mengevaluasi kerutan pada jaringan yang dicetak dan menerjemahkannya menjadi angka yang dapat diperhitungkan oleh para pembuat model. Itulah saatnya eksperimen dan model mulai bertemu.
Informasi lebih lanjut:HyeongJu Lee dkk, Penyelidikan eksperimen-komputasi terpadu mengenai perilaku mekanik jaringan serat nanosampiran acak,Bahan Lunak(2025).DOI: 10.1039/d4sm01288g
Disediakan oleh University of Illinois at Urbana-Champaign
Cerita ini pertama kali diterbitkan diBisakimia.
- 100 Soal dan Kunci Jawaban IPAS SD Kelas 2 Semester 2 Kurikulum Merdeka 2026 - March 7, 2026
- Mendesain jaringan serat nanofiber acak, yang dioptimalkan untuk kekuatan dan ketangguhan - March 7, 2026
- Pusat Medis TriStar Hendersonville menyelesaikan trombektomi paru pertama rumah sakit - March 6, 2026
Leave a Reply