ایران ترجمه – مرجع مقالات ترجمه شده دانشگاهی ایران

ریز ساخت نانوفیبرهای الکترواسپون بوسیله تخلیه بار الکتریکی

ریز ساخت نانوفیبرهای الکترواسپون بوسیله تخلیه بار الکتریکی

ریز ساخت نانوفیبرهای الکترواسپون بوسیله تخلیه بار الکتریکی – ایران ترجمه – Irantarjomeh

 

مقالات ترجمه شده آماده گروه شیمی
مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات رایگان

مطالعه ۲۰ الی ۱۰۰% رایگان مقالات ترجمه شده

۱- قابلیت مطالعه رایگان ۲۰ الی ۱۰۰ درصدی مقالات ۲- قابلیت سفارش فایل های این ترجمه با قیمتی مناسب مشتمل بر ۳ فایل: pdf انگیسی و فارسی مقاله همراه با msword فارسی  

چگونگی سفارش

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه (شماره حساب) ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.com شامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر

 

مقالات ترجمه شده شیمی - ایران ترجمه - irantarjomeh
شماره
۲۸
کد مقاله
CHEM28
مترجم
گروه مترجمین ایران ترجمه – irantarjomeh
دکتر حسین دشتی
نام فارسی
ریز ساخت نانوفیبرهای الکترواسپون بوسیله تخلیه بار الکتریکی
نام انگلیسی
Microfabrication in electrospun nanofibers by electrical discharges
تعداد صفحه به فارسی
۱۶
تعداد صفحه به انگلیسی
۵
کلمات کلیدی به فارسی
نانوالیاف الکترواسپان, تخلیه بار الکتریکی, ریزساخت
کلمات کلیدی به انگلیسی
Electrospun nanofibers, Electrical discharges, Microfabrication
مرجع به فارسی
لابراتوار بیومدیکال میکروسیستمز, دپارتمان مهندسی بیوپزشکی, دانشگاه ایالتی اوهایو,  ایالات متحده,
الزویر
مرجع به انگلیسی
Laboratory for Biomedical Microsystems, Department of Biomedical Engineering, The Ohio State University, USA; Elsevier
قیمت به تومان
۵۰۰۰
سال
۲۰۰۹
کشور
ایالات متحده

 

ریز ساخت نانوفیبرهای الکترواسپان بوسیله تخلیه بار الکتریکی
 لابراتوار بیومدیکال میکروسیستمز، دپارتمان مهندسی بیوپزشکی، دانشگاه ایالتی اوهایو،
 ایالات متحده
 الزویر
۲۰۰۹
چکیده
این مقاله کاربرد جدید تخلیه بار الکتریکی، برای ساخت ریز ساختارهای نانوفیبرهای پلیمری الکترواسپان،  را گزارش می کند. انرژی گرمایی تولید شده به وسیله قوسهای ریز الگوی تخلیه بار، دما در نواحی استقرار یافته را بالا می برد و نانو فیبرهای پلیمری مجاور را ذوب می کند. این فرآیند به صورت تجزیه ای و با استفاده از روش عنصری معین مورد بررسی قرار می گیرد. ریز ساختارهایی با حداقل پهنای خط mm۲۰ حاصل میشوند. اثر ذوب مجدد حاصل از قوسهای تخلیه بار الکتریکی نیز بررسی میشوند. این روش نقطه شروع امید بخشی را فراهم می‌آورد که در آن می‌توان نسبت به برقراری ارتباط بین مواد نانو فیبری زیست تجزیه ‌پذیر با ریز ساختارها اقدام نمود و چنین کاری، که در محدوده وسیعی از کاربردهای زیست دارویی اهمیت دارد، را با روشی ساده و موفقیت آمیز همراه با هزینه پایین انجام داد. کاربردهای آنی شامل مهندسی بافت، دارو رسانی و نانوالکترونیک می باشند.
کلمات کلیدی: نانوالیاف الکترواسپان، تخلیه بار الکتریکی، ریزساخت
 
۱- مقدمه
ریز ساختارهای نانوفیبرهای پلیمری الکترواسپان  از ساختارهای فیبری در هم پیچیده با قطرهای نوعی از  nm۵ تا چند صد نانومتر تشکیل شده اند. این ساختارهای فیبری، منافذ بین اتصالی با اندازه های قابل کنترل و نسبتهای سطح به حجم بزرگی را تشکیل میدهند. چنین موادی به علت انعطاف‌پذیری مکانیکی، سازگاری زیستی و مورفولوژی (ریخت شناسی) منحصر به فرد، اخیراً محبوبیت سریعی در محدوده وسیعی از کاربردهای زیست دارویی و صنعتی شامل غشاهای فیلتراسیون با کارایی بالا، حاملهای دارو رسانی، چارچوبهای مهندسی بافت و لباس های محافظ یافته اند[۶-۲].
در کاربردهای مهندسی بافت، ساختارهای چند لایه ای که از نانوفیبرها و ریز ساختارها ترکیب یافته اند، غالباً مورد نیاز می باشند زیرا این ساختارها ابزار ایده‌آلی را برای ارتباط دادن اجزای زیر سلولی با بافتها و سلولهای لایه‌لایه بزرگتر فراهم می کنند. به ویژه ، نانوفیبرهای بافته نشده، شبکه پروتئین ها و گلیکوزامینوگلیکانهای دارای اندازه نانو متر در زمینه خارج سلولی (ECM) را به خوبی تقلید می کنند [۸ و۷]، در حالیکه ریزساختارها، توپوگرافی مهندسی شده محلی را برای نشان دادن رشد و تمایز سلولی فراهم می‌سازند [ ۱۰ و ۹]، به عنوان مثال، نانوفیبرهای کربنی ریز الگو یافته می توانند چسبندگی اُستئوبلاستها و رسوبگذاری کلسیم فسفات را اصلاح نمایند[۱۱]. چارچوبهای پلی‌کاپرولاکتون ( PCL) ریز الگو یافته دارای منافذ نانو می توانند با ردیف کردن سلولهای ماهیچه ای نرم مجرادار و با بالا بردن نفوذ مواد مغذی به عنوان همتایان مهندسی شده رگهای خونی طبیعی بکار برده شوند [۱۲].
علیرغم مفید بودن چنین ریز ساختارهای/ نانو ساختارهای ترکیبی در نانوفیبرهای الکترواسپان ، فقط چند تکنولوژی برای ساخت آنها در دسترس می باشند.
در این تحقیق، روش ساده امّا مؤثری را برای تولید ریز ساختارهای مواد نانوفیبری پلیمری الکترواسپان  گزارش می کنیم. مواد پلیمری در مجاورت سوبسترای شیشه ای دی‌الکتریک که به صورت ریز الکترود آرایش یافته، قرار می گیرند. تخلیه بار الکتریکی با بکار بردن بایاس ولتاژی بالا حاصل میشود. انرژی گرمایی تولید شده به وسیله قوسهای تخلیه بار، نانوفیبرها را ذوب می کند و ریز ساختارهایی در نواحی معین ایجاد می کند.
۲- مفهوم تجربی
شکل (۱) مفهوم تجربی را نشان میدهد. ریز الگو یافتن با استفاده از نانوفیبرهای الکترواسپان  ساخته شده از پلی استر اورتان اوره (PEUU) که نقطه ذوب بالاتر از ۱۸۰ درجه سانتیگراد دارد، نشان داده میشود. ریز الکترودهای آلومینیومی با استفاده از فرآیندهای فوتولیتوگرافی و پوشش زدایی(lift-off) استاندارد بر روی سوبسترای شیشه ای آرایش می یابند. سر ریز الکترودهای مخالف در محدوده فاصله mm۵۰ تا بالاتر از mm۱ قرار می گیرند. ناهمواری های سر تیز به گونه ای طراحی میشوند که میدان بسیار بالایی را برای نشر تخلیه بار و نشان دادن خط سیر قوسهای تخلیه بار ایجاد نماید.
پس از ساخت، یکی از ریز الکترودها به خروجی A  دارای مولّد فرکانس بالا متصل میشود در حالیکه ریز الکترود B  به زمین وصل میشود (شکل ۲). ترانسفورماتور توانی T1 ولتاژ بالایی را ایجاد می کند که سبب میشود شکاف جرقه با سرعتی دو برابر فرکانس خطی (Hz۱۲۰-۱۰۰) تجزیه شود (در هم بشکند). شکاف جرقه، خازنهایC1  و C2 را که با واسطه هوا به سیم پیچ های اولیه حلقه تشدید کننده T2 متصل می شوند، باردار می کند. به علت القای سیم پیچ های اولیه T2 و خازنها، یک جریان نوسانی با فرکانس بالا در مدار ایجاد می شود. شکاف جرقه اصلاح می شود تا به فرکانس تشدید مدار که در حدود MHz ۸/۳ است، برسد و سپس، ولتاژ بالا به سیم پیچ های ثانویه T2 القا شده و به خروجی A  اعمال می شود.
 
۳- تخلیه بار الکتریکی روی تراشه
بر اساس قانون پاشن (Paschen)، ولتاژ فرو شکست استاتیک برای تولید یک قوس تخلیه بار خود نگهداری شونده می تواند از فاصله شکاف میان سر ریز الکترودها و فشار هوا در شکاف محاسبه شود [۱۳]. ولتاژ فرو شکست بسته به فاصله شکاف، تا یک فرکانس بحرانی معین عملاً با فرکانس میدان بکار رفته تغییر نمی کند. اگر فرکانس میدان از مقدار بحرانی تجاوز کند، فاصله بین دو مرحله متوالی فرو شکست الکتریکی آنقدر کوچک می شود که اجازه نمی دهد هیچ ترکیب شدن قابل توجهی از یونها صورت گیرد. در نتیجه، یون های مثبت در شکاف به دام می افتند و شروع به نوسان می کنند و بار مثبت خالص در شکاف افزایش یافته و ولتاژ فرو شکست از مقدار DC آن پایین تر می آید[۱۴]:
که G  ثابت مخصوص برای هوا، Vi پتانسیل یونش مؤثر هوا، g ضریب یونیزاسیون (یونش) دوم
تاوْنْ سِنْد (Townsend) و d فاصله شکاف میان سر الکترودها می باشد. با معین بودن تنش میدان فرو شکست استاتیک هوا در شرایط جوی طبیعی و هندسه ریز الکترودهای بکار رفته در این تحقیق، ولتاژ فرو شکست آستانه از مرتبه چند صد ولت تخمین زده می شود. فرکانس بحرانی از مرتبه چند کیلو هرتز (kHz) می باشد. چون ولتاژ الکتریکی بکار رفته از ولتاژ فرو شکست در MHz ۸/۳ کاملاً دور است، قوسهای تخلیه بار خود نگهداری شونده بین سرهای مخالف ریز الکترودها و به محض این که ولتاژ الکتریکی با فرکانس بالا بکار برده می شود، ایجاد می گردند(شکل ۳).
با طراحی و آرایش ریز الکترودها با شکلهای هندسی مختلف، قوسهای تخلیه بار خود نگهداری شونده در مسیرهای از پیش تعیین شده تولید می شوند. شکل (۴) آرایش ریز الکترودهای به هم متصل شده ای را که در آن دو گروه از الکترودها به ترتیب به خروجی های A و B  متصل می شوند، نشان می دهد (همانند شکل ۲). هر بخش خارج شده از ریز الکترودها دو گوشه دارد که به گوشه های مربوط به ریز الکترودهای مخالف برخورد می کند. آزمایش تخلیه بار نشان می دهد که قوسهای تخلیه بار از خطوطی که نزدیکترین دو گوشه مخالف را به هم اتصال می دهد، کاملاً پیروی می کنند. قوسی با شکل زیگزاگی و با زاویه عرضی تقریبا ˚۴۰ به طور موفقیت‌آمیز حاصل می شود.
۴- انتقال گرمای تخلیه بارهای الکتریکی
دما در مرکز قوس تخلیه بار در مرحله نوسان جریان قوس نوعاً بالاتر از  C˚۱۰۰۰ می باشد. از این انرژی گرمایی برای ذوب نانوفیبرهای پلیمری استفاده می شود. انتقال گرما از میان نانوفیبرهای متخلخل شامل رسانایی، همرفت و تابش می باشد. چون نانوفیبرهای پلیمری معمولاً جزء حجمی فیبری پایینی دارند (کمتر از ۱۰% کل)، هدایت (رسانایی) گرمایی از میان بخش توپر زمینه فیبر قابل اغماض است [۱۵]. علاوه بر این، فرض می کنیم که تابش نیز عامل قابل اغماضی باشد. این امر به این خاطر است که طول موجهای تابش فرو سرخ (مادون قرمز) در محدوده nm۷۵۰ و mm۱ هستند. نانوفیبرهای پلیمری با قطرهای متوسط nm۵۰۰ کوچکتر از آن هستند که با تابش گرمایی برهمکنش کنند. علاوه بر این، انتقال گرمایی همرفتی در نانوفیبرها نیز قابل اغماض است زیرا نانوفیبرهای بسیار ریز به علت داشتن مساحت سطح بسیار بزرگ و ساختارهای در هم پیچیده، تمایل دارند تمام همرفت را مستهلک کنند (میرا کنند) [۱۶]. بنابراین، شکل اولیه انتقال گرما، رسانایی از میان بخش های هوایی نانوفیبرهای پلیمری و رسانایی از میان سوبسترای شیشه ای عایق می باشد.
گرچه پیچیدگی و تنوع ریز ساخت مبتنی بر تخلیه بار از درک کامل تخلیه بار الکتریکی جلوگیری کرده است، این پدیده می تواند با استفاده از یک مدل ساده شده با تقریب تخلیه بار جریان بالا به صورت یک منبع نوار گرمایی که میان سوبسترای شیشه ای عایق و ماده نانوفیبری قرار گرفته، درک شود. پهنای منبع نوار به جریان قوسی بستگی دارد [۱۷] و هنگامی که به صورت تجربی مشاهده می شود، به پهنای قوس مریی نزدیک می گردد. ابعاد نانوفیبر و سوبسترای شیشه ای دارای مرتبه هایی بزرگتر از پهنای قوس تخلیه بار می باشند.
برای تخمین حوزه دمایی اطراف قوس تخلیه بار، هدایت گرمایی قوس تخلیه بار از میان یک ماده یکنواخت با استفاده از فضای نیمه نامحدود با مرز بی در رو (آدیا باتیک) مورد بررسی قرار می گیرد. انحراف دمایی در عرض پهنای منبع نوار b۲، در یک تخلیه بار کوتاه جریان بالا، خیلی کوچک است در حالی که افت دما  در خارج از این پهنا شدید است. با در نظر گرفتن این امر که فلاکس گرمایی در امتداد محور طولی قوس تخلیه بار بر روی سطح شیشه عایق قابل اغماض است [۱۸]، انتقال گرمایی می تواند تا یک آنالیز تک بعدی کاهش داده شود. توزیع دما می تواند به صورت زیر حاصل شود:
که a نفوذ پذیری گرمایی، r چگالی،c  هدایت ویژه و مقدار گرمای پخش شده به وسیله منبع نوار در واحد زمان و واحد سطح می باشد. با در نظر گرفتن این امر که فلاکس گرمایی واحد تولید شده به وسیله قوس تخلیه بار  یکنواخت و ثابت است، توزیع دما در امتداد محور z می تواند به صورت زیر تعیین شود [۱۹و۱۷]:
که  تابع خطای مکمل می باشد. به علت تقارن، Q با نصف گرمای تولید شده به وسیله قوس تخلیه بار مساوی است و می تواند با اصلاح ولتاژ الکتریکی به کار رفته در ریز الکترودها کنترل شود. با استفاده از معادله (۳)، توزیع دمایی قوس تخلیه بار در فضای تشکیل شده از ماده یکنواخت تعیین می گردد.
توزیع دمایی قوس تخلیه بار با استفاده از روش عنصری معین نیز تخمین زده می شود ( نرم افزار COMSOL). برای ساده سازی آنالیز، فرض می کنیم که فلاکس گرمایی تولید شده به وسیله قوس تخلیه بار یکنواخت است و در طول زمان ثابت نگهداشته می شود. این نکته نیز در نظر گرفته می شود که نانوفیبرهای پلیمری به محض این که در معرض دمای بالاتر از نقطه ذوب قرار می گیرند، بلافاصله ذوب می شوند. گرمای نهان در طی ذوب کوچک است و تأثیر قابل توجهی بر دمای محلی ندارد. بنابراین، ناحیه ذوب می تواند با یک سطح همدما در نقطه ذوب نانوفیبرهای پلیمری توصیف شود. نانوفیبرهای احاطه شده بوسیله سطح همدما و سطح بالای سوبسترای شیشه ای، در معرض دمای بالاتر از نقطه ذوب هستند و ذوب می شوند. دمای خارج از این سطح، پایین‌تر از نقطه ذوب است و در آن، نانوفیبرها، مورفولوژی فیبری خود را حفظ می کنند. بنابراین حوزه دمایی در نقطه زمانی معین قابل تعیین است. شکل (۵) توزیع دمایی نمونه ای از یک قوس تخلیه بار را نشان می دهد که در آن،  پهنای منبع نوار ۲۰=b۲، فلاکس گرمایی  و نقطه زمانی s۰/۱=t  می باشد. نقطه ذوبPEUU  در k۵۰۰ تنظیم می شود. نتایج نشان می دهند که ابعاد سطح همدما در نقطه ذوب با مدت زمان تخلیه بار و توان بکار رفته تغییر می کند. به ویژه اینکه ارتفاع ناحیه ذوب در مرحله تخلیه بار افزایش می یابد و هنگامی که تخلیه بار پیشرفت می کند، به یک سطح صاف می رسد. پهنای ناحیه ذوب از روش مشابهی پیروی می کند (همچنان که در زیر شکل نشان داده شده است). ناحیه ذوب به فلاکس گرمایی تولید شده بوسیله قوس تخلیه بار نیز بستگی دارد. در فلاکس گرمایی بالاتر، تغییر ابعادی ناحیه ذوب در مرحله تخلیه بار شدیدتر است. این تغییر قبل از رسیدن به تعادل گرمایی، بیشتر طول می کشد. بر اساس این نتایج، ابعاد نواحی ذوب می تواند با اصلاح زمان تخلیه بار و توان بکار رفته کنترل شود.
  
۵- صحت بخش تجربی (اعتبار آزمایش)
نانوفیبرها با استفاده از یک دستگاه تاب دهنده الکترونی متداول، الکتروتابیده می شوند. اجزای مرکزی دستگاه شامل یک منبع ولتاژ بالا، یک پمپ سرنگی دقیقاً کنترل شده، یک سرنگ دارای لوله مویینه فولادی و یک جمع آوری کننده (کلکتور) رسانا می باشد. PEUU به صورتی که قبلاً گزارش شده، سنتز می شود [۲۰].
محلول پیش پلیمری به وسیله پمپ سرنگی در داخل لوله مویینه فولادی حرکت می کند و این محلول به وسیله پتانسیل الکتریکی مثبت (مثلاً kV DC۱۵) باردار می شود. تحت چنین پتانسیلی، محلول پلیمری در داخل لوله مویینه دارای بار مثبت می شود. به علت دافعه الکتروستاتیک مایع باردار و میدان الکتریکی ایجاد شده بین لوله مویینه فولادی و جمع آوری کننده (کلکتور) زمینی، یک مخروط تَیلور در سر لوله مویینه تشکیل می شود. به محض این که این نیرو بر کشش سطحی غلبه می کند، دهانه باریک پلیمر شروع به رسوبگذاری نانوفیبرها بر روی ورقه آلومینیومی می کند. قطر نوعی یک فیبر منفرد در حدود nm۵۰۰ است.
 پس از تهیه نانوفیبرهای پلیمری، صحت (اعتبار) آزمایش به وسیله پوشاندن ریز الکترودهای آلومینیومی با نانوفیبر پلیمری و اِعمال یک فشار نسبتاً کم بر سر ریزالکترود انجام می شود تا تماس کاملی برقرار شود. ولتاژ AC کوتاه جریان بالا به ریز الکترودها با فواصل شکاف مختلف اعمال می شود. ریز ساختارهایی با طولهای مختلف با موفقیت تولید می شوند (شکل ۶). برای تولید ریز ساختارهایی با ابعاد کوچک، ولتاژ الکتریکی در حد پایین خود تنظیم می شود و زمان نگهداری قوس تخلیه بار کمتر از یک ثانیه است. پهنای ساختارها به کوچکی تقریباً ۲۰ می باشد. یک بررسی دقیق‌تر نشان می دهد که سطح پایین ریز شیارها ذوب مجدد نسبتاً کمی دارد و در آن، ساختارهای فیبری به شدت تخریب نمی شوند. این امر به دمای بالا در مرکز قوس تخلیه بار که برای تجزیه پلیمر و رسوبگذاری مجدد در داخل زمینه پلیمری کافی است، نسبت داده می شود. آسیب دیدن محدود ساختارهای نانوفیبری برای کاربردهای مهندسی سلول/ بافت که در آن، افزایش تحویل مواد مغذی از طریق ساختارهای نانوفیبری حاصل می شود، ضروری است.
این نکته باید ذکر شود که چون نانوفیبرهای پلیمری به وسیله انرژی گرمایی قوسهای تخلیه بار حذف می شوند(خارج می شوند)، انرژی گرمایی باید در داخل نواحی مطلوب مستقر شود تا اثر آسیب دیدگی آن در نواحی مجاور به حداقل برسد. یک راهکار عملی، گذاشتن یک دوره بیهوده طولانی میان دو دوره کوتاه مجاور قوسهای تخلیه بار خود نگهداری شونده (هر دوره کمتر از یک ثانیه) است که پخش گرما را امکانپذیر می سازد. این موضوع برای محافظت از نانوفیبرهای پلیمری بر روی سطح رسانای ریز الکترودها بسیار مهم است که علت آن، رسانایی گرمایی بالای الکترودهای فلزی می باشد. شکل ۷ (الف) و (ب) سطوحی را نشان می دهند که با ریز الکترودها به ترتیب در یک دوره بیهوده طولانی و یک دوره بیهوده کوتاه تماس دارند. این نکته دیده می شود که نانوفیبرهای پلیمری که در یک دوره بیهوده طولانی در معرض حک کاری قوس تخلیه بار هستند، ذوب مجدد محدودی نشان می دهند. برعکس، فیبرهایی که در یک دوره بیهوده کوتاه در معرض حک کاری قوس تخلیه بار هستند، ذوب مجدد قابل توجهی نشان می دهند و ممکن است کارآیی این نانوفیبرها را در کاربردهای تصفیه و مهندسی بافت کاهش دهد.
۶- نتیجه گیری
در این تحقیق، روش جدیدی برای تولید ریز الگوهای نانو فیبری با استفاده از انرژی گرمایی قوس تخلیه بار گزارش می شود. با بکارگیری بایاس ولتاژ الکتریکی نسبتاً بالا در ریز الکترودها، قوس تخلیه بار خود نگهداری شونده در شکاف هوایی ایجاد می شود. انرژی گرمایی پخش شده از قوس تخلیه بار، نانوفیبرهای اطراف را ذوب می کند و ریز شیارهایی ایجاد می نماید. با طراحی ریز الکترودها و کنترل ولتاژ بکار رفته، ریز الگوهایی با شکلهای هندسی مطلوب ایجاد می شوند. این روش، بر خلاف دستگاه تخلیه بار الکتریکی (EDM) که در آن، ماده الکترود به وسیله قوس الکتریکی خارج می شود، ریز ساختارهایی را در مواد پلیمری عایق میان ریز الکترودها ایجاد می‌کند. اثر ذوب مجدد ناشی از قوسهای تخلیه بار در اینجا مورد بحث قرار گرفته و روش ساخت عملی ارائه می شود. این تحقیق با پیکربندی ساده و هزینه کم، نقطه شروع امید بخشی را نوید می‌دهد که در بردارنده رویه های  جهانی سازی نانو فیبرها به ویژه ریز ساختارهایی است، که خود در محدوده وسیعی از کاربردها شامل مهندسی سلول/ بافت، دارو رسانی و نانو الکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرند.
تماس با ما

اکنون آفلاین هستیم، اما امکان ارسال ایمیل وجود دارد.

به سیستم پشتیبانی سایت ایران ترجمه خوش آمدید.