Физики получили идеальный материал для воздушных фильтров

Группа исследователей из Института теоретической и экспериментальной биофизики, в которой принимал участие студент 4-го курса МФТИ Андрей Авсеенко, синтезировала материал, который является практически идеальным фильтром для защиты органов дыхания, проведения аналитических исследований и иных практических целей. Почти невесомая ткань из нейлоновых нановолокон толщиной не более 15 нанометров превосходит по фильтрующим и оптическим свойствам  все ранее испытанные аналоги.Структура нового материала: изображение, полученное методом атомной силовой микроскопии. Суть метода заключается в “ощупывании” образца тонкой иглой, которая сканирует рельеф с точностью до нанометров (а в ряде случаев может и различать выступы в один атом высотой). Иллюстрация любезно предоставлена авторами исследования.

Ученые, чья работа представлена на страницах журнала Macromolecular Nanotechnology, приводят такие характеристики своего материала: плотность в районе 10-20 миллиграмм на квадратный метр, практически полная прозрачность (пропускает 95% света: больше, чем оконные стекла), низкое сопротивление воздушному потоку и эффективное задерживание мелкой пыли в виде частиц с размерами меньше одного микрометра.

Структура нового материала: изображение, полученное методом атомной силовой микроскопии. Суть метода заключается в “ощупывании” образца тонкой иглой, которая сканирует рельеф с точностью до нанометров (а в ряде случаев может и различать выступы в один атом высотой). Иллюстрация любезно предоставлена авторами исследования.

Слова “нановолокна” в статье исследователей не просто дань моде. Ранее тем же коллективом было показано, что уменьшение диаметра волокон с 200 нанометров до 20 снижает сопротивление фильтра воздушному потоку на две трети, причем этот эффект уже нельзя объяснить классической аэродинамикой. Когда размер препятствия становится меньше длины свободного пробега молекул газа, обычные методики расчета аэродинамических характеристик, основанные на теории сплошных сред, перестают работать, а при нормальных условиях длина свободного пробега у молекул воздуха составляет 65 нанометров.

Длина свободного пробега: расстояние, которое в среднем успевает пролететь одна молекула перед столкновением с другой. Только если все препятствия намного больше этой величины, то набегающий на них поток правомерно считать сплошной средой.

В своей работе ученые использовали вариант метода, называемого электропрядением: через специальное сопло в сторону мишени под действием электрического поля выбрасывается струя растворенного полимера. С другой стороны распыляется обыкновенный этиловый спирт, причем струя полимера и капли спирта имеют противоположные электрические заряды. Сталкиваясь в воздухе, они формируют тончайшие пленки из нановолокон. Технология электропрядения как способ изготовления нетканных волокнистых фильтров была разработана еще в 50-х годах для очистки воздуха в атомной промышленности (так называемые фильтры Петрянова) но исследователи внесли в неё важное усовершенствование: если раньше наноткань получали на твердой проводящей подложке, то в варианте технологии, разрабатываемой авторами, фильтр формируется на отверстии в непроводящей перегородке из поликарбоната с отверстием диаметром 55 миллиметров.

Образец новой ткани в отраженном свете. Иллюстрация авторов исследования.

Развитие такой технологии имеет длинную историю, она описана в ряде публикаций и патентов.

1. Bailey, C., Morozov, V., Vsevolodov, N.N. Electrospray Neutralization Process and Apparatus for Generation of Nano-Aerosol and Nano-Structured Materials. US 7,776,405 B2, August 17, 2010.

2. Morozov, V.N., Vsevolodov N.N. (2007) Electrospray-neutralization method for manufacturing free and supported nanomats. Adv. Materials, 19, 4381–4386.

3. Morozov, V.N., Mikheev, A.Y. (2012) Water-Soluble Polyvinylpyrrolidone Nanofilters Manufactured by Electrospray-Neutralization Technique. J. Membr. Sci., 403– 404, 110– 120.

4. Mikheev, A.Y., Kanev, I.L., Morozova T.Ya.  Morozov, V.N., (2013) Water-Soluble Filters from Ultra-Thin Polyvinylpirrolidone Nanofibers. J. Membr. Sci., 448, 151– 159.

5. Andrei Y. Mikheev, Yuri M. Shlyapnikov, Igor L. Kanev, Andrei V. Avseenko, Victor N. Morozov (2016) Filtering and optical properties of free standing electrospun nanomats from nylon-4,6. European Polymer Journal 75, 317–328.

Опубликованная работа завершила цикл работ авторов по  исследованию  свойств нанофильтров, изготовленных по новой технологии.  Было выяснено, что их уникальные оптические и фильтрующие свойства обязаны особому механизму «залечивания» отверстий и дефектов в формирующемся свободном фильтре. Такие отверстия буквально притягивают падающие на поверхность фильтра волокна, в результате чего хороший фильтр без больших дырок можно получить из минимального количества нановолокон -- и, соответственно, с минимальным сопротивлением потоку воздуха.  Более того, активное залечивание  больших отверстий между нитями наделяет его свойствами фильтров с калиброванными порами, так называемых трековых мембран. Учёные также показали, что механизм «залечивания» не работает в стандартном способе электропрядения -- когда нановолокна  осаждаются на проводящую подложку полностью хаотично.

Группа сотрудников ИТЭБ, разработавшая новый материал и исследовавшая как его свойства, так и механизм улавливания частиц разреженной сетью из капроновых нанонитей.

Андрей Авсеенко, принявший участие в работе студент четвертого курса МФТИ. Снимок предоставлен авторами исследования.

Проведенные испытания капроновых пленок показали, что такая практически невесомая и невидимая ткань задерживает не менее 98% частиц пыли в проходящем воздухе. Для проверки ученые использовали частицы от 0,2 до 0,3 микрометров диаметром - что примерно соответствует как раз той пыли, которая не задерживается носоглоткой, проникает в легкие и вызывает ряд опасных заболеваний. Именно субмикронные (меньше 1 мкм диаметром) частицы также применяют при проверке промышленных и медицинских фильтров, причем для оценки потребительских качеств также проверяется и сопротивление воздушному потоку.

Эксперименты с измерением сопротивления, выполненные пока на единичных образцах (в реальных фильтрах используется, как правило, многослойная поверхность сложной конфигурации) показали, что из всех ранее описанных типов ткани капроновый фильтрующий материал обладает наилучшими характеристиками. По соотношению степени задержания и массы фильтра и по соотношению задержания  и сопротивления воздушному потоку новый фильтрующий материал превосходит существующие аналоги в несколько раз.

На первый взгляд это просто кольцо, лежащее на листе бумаги. На самом деле это образец новой ткани для фильтров: пятнышко красного цвета на букве l -- рассеянный на ней луч лазера, при помощи которого учёные измеряли прозрачность материала. Коэффициент пропускания у новой разработки выше, чем у хорошего оконного стекла. Иллюстрация авторов исследования.

Говоря о возможных применениях своего материала, ученые указывают не только на очевидную очистку воздуха или воды от посторонних примесей. Поскольку материал по прозрачности превосходит стекло, его можно использовать и для биологических исследований. Если через новый фильтр пропустить анализируемый воздух или воду, а потом положить его под микроскоп -- то задержанные микроорганизмы будут прекрасно видны; этот эффект опять-таки обусловлен особо тонкими нитями, толщина которых намного меньше даже длины волны видимого света.