ננו-סיב

ננו-סיבים הם סיבים זעירים בעלי קוטר הקטן ממיקרון אחד (מיקרון =‏ nm‏1000). הפקת הננו-סיבים נעשית בדרך כלל מתרכובות כמו טיטניום דו-חמצני , צורן דו-חמצני, תחמוצת האלומיניום (אלומינה) ועוד חומרים קראמיים אחרים. לשם השוואה, קוטרו של ננו-סיב קטן בכשלושה סדרי גודל מקוטרה של שערה אנושית שקוטרה הממוצע הוא כ-100µm. לננו-סיבים שימושים רבים ומגוונים, בין היתר ניתן למצאם בתחומי רפואה, טקסטיל, תהליכי סינון וכדומה. ישנן שתי שיטות עיקריות לסינתזת הננו-סיבים: טוויה אלקטרונית, שהיא השיטה הנפוצה, ובשיטת ה-bicomponent fibers . הפקת הננו-סיבים נעשית בדרך כלל מתרכובות כמו טיטניום דו-חמצני (TiO2), צורן דו-חמצני (SiO2), תחמוצת האלומיניום (אלומינה) (Al2O3), ועוד חומרים קראמיים אחרים. הסינתזה בדרך כלל מורכבת משני שלבים עיקריים: בשלב הראשון נוצר פולימר אורגני ננוסיבי העשוי ממלחים אנאורגניים או תרכובות אורגנומתכתית על ידי טכניקת טווייה אלקטרונית קונבנציונלית. בשלב השני הופכים את הפולימר לקרמיקה על ידי חום. ערך מורחב – טוויה אלקטרונית טוויה אלקטרונית היא טכנולוגיה פשוטה המאפשרת טווית סיבים ממגוון חומרים שונים כגון פולימרים, חומרים מרוכבים וחומרים קרמים. הטוויה נעשית על ידי הפעלת מתח חשמלי גבוה בין נוזל בעל צמיגות גבוהה אשר נמצא בקצה מחט, לבין מצע מוארק. הטיפה בקצה המחט נמשכת בכיוון קווי השדה והנוזל מקבל צורה קונית (Taylor cone) כאשר המתח גבוה מספיק, הכוח על הטיפה בקצה גבוה דיו על מנת להתגבר על מתח הפנים של הנוזל וסילון דק פורץ ממנו. הממס מתנדף והסילון מתהווה לסיב. על ידי שינוי פרמטרים שונים בזמן יצירת הסיבים, כמו מתח חשמלי, ניתן לייצר סיבים בעלי תכונות שונות. בטכנולוגיה זו ניתן לייצר סיבים בעלי יחס שטח פנים לנפח גדול מאוד (יחס זה גדול עד פי 100 מהיחס בסיבים המיוצרים בשיטות אחרות), יתרון זה מקנה לסיבים גמישות גבוהה בשטח הפנים ותכונות מכניות שלא ניתן להשיג בטוויה קונבנציונלית. שיטת יצירה נוספת היא בשיטת סיבים ביקומפוננטים (Bicomponent fibers) . בשיטה זו שני פולימרים עוברים שיחול (אקסטרוזיה) דרך אותו ספינרט כך שמקבלים סיב המורכב משני הפולימרים. שיחול הוא תהליך שבו שני פולימרים גולמיים נדחסים לתוך כלי מחומם ונלחצים החוצה אל הפיה (הספינרט). צורת הפיה תקבע את חתך הרוחב הסופי של הפולימר החדש שנוצר. באמצעות שיטה זו מקבלים סיבים בעלי תכונות של שני הפולימרים. לננו-סיבים שימושים רבים בתחומים שונים. לננו-סיבים יחס גבוה בין שטח הפנים שלהם לנפח, דבר המקנה להם תכונות מיוחדות המאפשרות אינטראקציה רבה בין הסיבים עם הסביבתם. ערך מורחב – שיגור תרופות שיגור תרופות היא שיטה או תהליך טכנולוגי מתחום הננו-רפואה בו תרכובות תרופתיות מכוונות לאתר מטרה כדי להשיג השפעה רפואית טיפולית יעילה בבני-אדם או בבעלי חיים תוך צמצום השפעות הלוואי. השימוש בננו-סיבים כנשאי תרופות מתבצע במספר דרכים וביניהם קשירת התרופה לפולימר או הכנסת התרופה לחלל הפנימי של הסיב. שחרור התרופה מהננו-סיבים באתר המטרה מתאפשר במספר דרכים: הפרשה ו/או דיפוזיה מתוך הסיב או פירוק עצמי של הסיב באתר המטרה. ערך מורחב – טקסטיל לננו-טכנולוגיה יש השפעה גם על תעשיית הטקסטיל המסורתית. ניתן לטוות ננו-סיבים ולקבל ננו-בדים בעלי תכונות שלא קיימות בבדים הרגילים כגון יכולת ניקוי עצמי, עמידות הבדים לאורך שנים, דחיית מים (ציפויים דוחי מים), עמידות אנטיבקטריאלית וכו'. באוויר ישנם מזהמים רבים כמו מיקרואורגניזמים, אלרגנים, עשן של סיגריות, אבק וכו' בעלי השפעה שלילית על הבריאות. גודלם של חלקיקים מזהמים הוא לרוב בקנה מידה של מיקרונים ולכן הם לא יכולים להיות מסוננים על ידי מסננים רגילים. ישנם מקומות בהם סינון של חלקיקים קטנים במיוחד הוא הכרחי, למשל בחדרים נקיים. בניית מסננים מהסוג הזה נעשית על ידי טוויה חשמלית ישירה של הסיבים על המשטח המסנן של מתקן הסינון. ננומסננים יכולים לסנן חלקיקים בגודל עד 100 ננומטר. ערך מורחב – טיהור מים הודות לגודלם הזעיר של ננו-סיבים ניתן גם לטהר מים על ידי סינונם. למשל, אספקת המים לאסטרונאוטים לחלל היא אחת הבעיות שבהן נתקלה NASA, סוכנות החלל של ארצות הברית. עלות שיגור של גלון מים אחד (כ-3.7 ליטר) הוא 83,000$ ולכן מיחזור המים בחלל הוא תהליך הכרחי. בשנת 2002 נחתם הסכם בין NASA לבין חברת Argonide Corporation שהם יפתחו מערכת טיהור מים שתוכל לעבוד בחלל. החברה פיתחה אמצעי סינון מיוחד, עשויים ננו-סיבים מתחמוצת האלומיניום, המאפשר סינון וירוסים וחיידקים מהמים וכך לטהר את מי השתיה. החומר המסנן נקרא NanoCeram שקוטרו אינו עולה על 2 ננומטר. פיתוחים לפילטור מים נעשים גם בישראל. הודות לגודלם הזעיר של הסיבים ניתן לארוג מסננות דקיקות מחומרים אנטי בקטיריאלים (כגון כסף) וליצור מסננות למי שתייה במקומות מזוהמים. ערך מורחב – רפואת שיניים ניצול נוסף של הננו-סיבים נמצא בתחום רפואת השיניים, כדבק דנטלי עמיד במיוחד. החומר החדשני מורכב מננו-סיבים ופולימרים, יחליף בעתיד את "סתימות האמלגמה" הכהות. נמצא שהחומר פוליאסתראמיד היפר מסועף (hyper-branched (HB) polyesteramide) עומד בתנאי לחיצה גבוהים במיוחד (תנאי הנדרש לחומרים המשתמשים בהם לסתימות) לעומת החומרים הדנטליים הקיימים היום בשוק. השילוב של ננו-סיבים בחומרים דנטליים נמצא בשלבי פיתוח סופיים ובזכות ראשוניותה ומקוריותה זכה מחקר זה להצגה בכנסים המובילים בתחום הדנטלי. הננו-חלקיקים מבוססים על ננו-סיבים שיוצרו בשיטה מיוחדת. קוטרם של סיבים אלו הוא כמה עשרות ננומטרים ויכולתם לחזק חומרים דנטליים תוך ניצול שטח הפנים הגדול הקיים בננו סיבים. הסיבים גורמים להעלאת הכוח ללחיצה ומניעת התכווצות בהקשיה ובכך מונעים היווצרות סדקים ושברים בסתימות הלבנות. המשך המחקרים לשילוב ננו-טכנולוגיה בחומרים דנטליים יעשה בשיתוף פעולה עם מרכזי מחקר בארצות הברית ובמימון הקרן הלאומית לבריאות NIH. יוזמה זו היא הראשונה מסוגה בעולם המשלבת ננו-טכנולוגיה ברפואת שיניים. כיום ישראל היא מעין מעצמת ננו-טכנולוגיה. קיימים גופי מחקר רבים וכן חברות הזנק רבות החוקרים ועוסקים בתחום הננו-טכנולוגיה. כמעט בכל אוניברסיטה בארץ קיים מכון למחקר הננוטכנולוגיה. השקעה רבה בחקר הננו באה מקרנות מדעיות ממשלתיות. למשל, במחקר פורץ דרך של אוניברסיטת תל אביב יחד עם המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) פיתחו רקמת שריר פועמת מתאים שאותם זרעו על ביו-חומרים ששזרו בהם סיבי זהב בגודל ננומטרי. זהב היא מתכת מוליכה טוב ולכן מאפשרת פעימה טובה ובו זמנית של כל התאים. התוצאה היא רקמה פועמת שניתן להשתיל ברקמת לב פגוע אחרי התקף לב ומאפשרת לו לתפקד טוב יותר. ננו-חוט ננו-חומרים ננוטכנולוגיה מדיה וקבצים בנושא ננו-סיב בוויקישיתוף Nano glossary Titanium dioxide nanofibers prepared by using electrospinning method Bin Ding, Chul Ki Kim, Hak Yong Kim, Min Kang Seo, Soo Jin Park. Fibers and Polymers, June 2004, Volume 5, Issue 2, pp 105-109 Synthesis of carbon nanotubes and nanofibers by thermal CVD on SiO2 and Al2O3 support layers. Aguiar, M. R., C. Verissimo, A. C. Ramos, S. A. Moshkalev, and J. W. Swart, 2009, Synthesis of carbon nanotubes and nanofibers by thermal CVD on SiO2 and Al2O3 support layers: J Nanosci Nanotechnol, v. 9, p. 4143-50 Effect of nanofiber-coated surfaces on the proliferation and differentiation of osteoprogenitors in vitro Huang, Z., R. H. Daniels, R. J. Enzerink, V. Hardev, V. Sahi, and S. B. Goodman, 2008, Effect of nanofiber-coated surfaces on the proliferation and differentiation of osteoprogenitors in vitro: Tissue Eng Part A, v. 14, p. 1853-9 Titania nanofibers prepared by electrospinning C. Tekmen, A. Suslu, U. Cocen Materials Letters, Volume 62, Issue 29, 30 November 2008, Pages 4470–4472 Titanate Nanofiber Reactivity: Fabrication of MTiO3 (M = Ca, Sr, and Ba) Perovskite Oxides Y. Li, X. P. Gao, G. R. Li, G. L. Pan, T. Y. Yan and H. Y. Zhu J. Phys. Chem. C, 2009, 113 (11), pp 4386–4394 יצירת ננו-סיבים בהשראת הטבע, אתר הידען Nanofiber nonwovens Raghavendra R Hegde, Atul Dahiya, M. G. Kamath 2005 טוויה אלקטרונית, אתר israelmaterials BICOMPONENT FIBERS April, 2004 - Raghavendra R. Hegde, Atul Dahiya, M. G. Kamath (Praveen Kumar Jangala & Ramaiah Kotra) Electrospinning Introduction to Conventional Electrospinning Chitosan bicomponent nanofibers and nanoporous fibers Carbohydrate Research, Volume 341, Issue 3, 27 February 2006, Pages 374–381 Flexible, Nanoscale 'Bed of Nails' Created for Possible Drug Delivery, מתוך כתב עת Science daily Manufacturing technologies of polymeric nanofibres and nanofibre yarns Polymer International, Volume 57, Issue 6, pages 837–845, June 2008 Self cleaning textile - an overview, Tanveer Malik, Shriraj Nogja, Purva Goyal, Faculty in Shri Vaishnav Institute of Technology and Science A review on the application of inorganic nano-structured materials in the modification of textiles: Focus on anti-microbial properties Roya Dastjerdi, Majid Montazer, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, Volume 79, Issue 1, 1 August 2010, Pages 5–18 ננו טקסטיל TEX-10 / ננו עור וזמש TEX-11 Clean Air Nanosolution, presentation Nanofiber Filter Media for Air Filtration, Raghavan, Bharath Kumar, Dissertation Nanofiber Filters Eliminate Contaminants Originating Technology FREEING WATER FROM VIRUSES AND BACTERIA The Unseen Threat ממברנות ננו-סיבים מכילי ננו-קוטלנים (nanobiocides) לטיפול יעיל במים מזוהמים חומרי ננו-פורצי דרך בתעשייה הדנטאלית, אתר TheDENTAL The effect of hyper-branched polymers on the properties of dental composites and adhesives H. DODIUK-KENIG, K. LIZENBOIM, I. EPPELBAUM, B. ZALSMAN and S. KENIG 2004 פז וייסמן, ההשקעה הממוצעת בחוקר ננוטכנולוגיה בישראל: 1.1 מיליון דולר, באתר הארץ, 8 במרץ 2009 לב זהב: חוקרים פיתחו רקמה עם סיבי זהב המשקמת לב שעבר התקף, אתר הידען