Nanokiud

Nanokiud ehk nanofiibrid on definitsiooni järgi kiud, mille läbimõõt on võrdne või väiksem kui 100 nanomeetrit (nm), kuid üldiselt loetakse nanokiududeks kõiki kiude, mille läbimõõt on alla 1 mikromeetri (1 μm = 1000 nm).

Nanokiud on nanomaterjal, mida iseloomustab hea painduvus ja kuvasuhe, mis on suurem kui 1000:1.

Kiudmaterjalidel on suur fundamentaalne tähtsus. Tänu nanokiu suurele eripindalale, heale painduvusele, kuvasuhtele, suurepärasele suunalisele tugevusele ja bioimiteerimise potentsiaalile eelistatakse kasutada nanokiust materjale paljudel kasutusaladel.

Nanomõõtmetes kiud on fundamentaalsed ehituskivid elussüsteemidele. Näiteks DNA molekuli kaksikheeliksi kiu diameeter on 1,5 nm.

Omadused

Kui lähendada kiu suurused nanomeetrini, toimub kiul suur eripindala kasv, kuni suuruseni 1000 m² grammi kohta. Dimensiooni vähenemine ja pinna suurenemine mõjutavad suuresti keemilist ja bioloogilist aktiivsust ning elektroaktiivsust polümeeri kiududes. Kui muuta kiu diameetrit 10 mikromeetrist 10 nanomeetrini, muutub kiud painduvamaks. Mõõtmete vähenedes võib kiu painduvus suureneda kuni miljon korda.

Tugevuse sõltuvus kiu suurusest

Kiude kujul materjalid on erilised, kuna nad on väga tugevad. Klaaskiudu kasutades on kindlaks tehtud, et kiu tugevus kasvab eksponentsiaalselt diameetri vähenedes. See tuleneb vähenevast tõenäosusest, et kiu pinnal võib esineda defekte. Kui materjali diameeter väheneb veelgi, siis näiteks nanotorude korral deformatsioonienergia aatomi kohta suureneb eksponentsiaalselt. Sellest tuleneb ka nanotorude tohutu tugevus, mis ületab 30 GPa.

Nanokiu kasutusalad

Nanokiudude omaduste tõttu on nad palju kasutust leidnud erinevates valdkondades. Kasutusalasid leidub filtritena, rõivatööstuses, toidutööstuses näiteks uute sensorite väljatöötamisel, pakkimismaterjalide produtseerimises ja töötlemises, ravimite manustamise meetodites, nano- ja mikroelektroonikas, elektroodides ning tellingutena kudede produtseerimisel.

Filtrid

Osakestele, mis on suuremad kui 100 nm, on nanokiust filtrid kasulikumad kui klaaskiust filtrid. Sellest väiksemate osakeste korral ei ole nanokiust filtritel eeliseid. Nanokiudu kasutades saab valmistada tavapärasest tõhusamaid ja pikema elueaga filtreid. Nanokiudvõrkude suure pindala tõttu imavad filtrid õhust ja veest väga väikesi osakesi, nagu mikroorganisme ja viirusi.

Tekstiilitööstus

Nanokiud on leidnud palju kasutust tekstiilitööstuses. Nanokiu lisamine riidekiududele muudab kiu omadusi. Näiteks juba väga väikene osa riidest asendada nanokiuga muutub riide eripindala ja tugevus mitu korda. See protsess ei tee ka riide materjali raskemaks. Lisaks saab ka terveid kangaid teha nanokiudmaterjalist. Sellel on tähtsad kasutusalad kohtades, kus on vaja kergeid ja õhku läbi laskvaid kangaid, mis kaitsevad ka ekstreemsete temperatuuride eest. Kuna nanokiudtekstiilid on ka väga pehmed, siis arvatakse, et neid saaks kasutada näiteks kunstnaha ja kašmiiri tootmisel.

Meditsiin

Meditsiinis kasutatakse nanokiudu näiteks ravimite manustamisel, haavade ravimisel ja kudede ehitamisel. Biopolümeeridest saadud nanokiudu saab kasutada ravimite edastamisel bioaktiivse materjalina. Kiududesse saab lisada farmatseutilisi koostisaineid ning nanokiu kaudu saab ravimit kiiresti manustada.

Nanokiudu kasutatakse ka haavade ravimisel. Biopolümeeridest tehtud kiudu saab kasutada haavade sidumisel haava paranemisele kaasaaitamiseks. Kasutades nanokiust materjale nakatunud haavadel, saab nanokiu struktuurile lisada ravimeid või antibakteriaalseid materjale.

Nanokiud võib olla ka substraat rakkude kasvatamisel. Õigete mehaaniliste ja struktuuriliste omadustega nanokiust materjale on võimalik siirata eri tüüpi rakkudesse. Nanokiust tellingute ehitamisel on ka võimalik lisada erinevaid bioaktiivseid materjale, näiteks kasvu soodustavaid aineid või ravimeid, näiteks immunosupressante.

Tootmine

Nanokiu valmistamiseks on mitmeid viise, näiteks elektroformeerimine, sool-geel-meetod, iseorganiseerumine ja muud.

Sool-geel-meetod

Sool-geel-meetod on odav ja madalatemperatuuriline meetod, mille käigus saab tulemuse keemilist koostist täpselt kontrollida. Puuduseks on aga protsessi pikk läbiviimise aeg. Sool-geel-meetodil kasutatakse lahust, mis muutub geelilaadseks aineks, milles on mõlemad – vedel ja tahke faas. Protsess sisaldab lahustumist, geelistamist, lahuse eraldamist, külmutamist ja külmutamise teel kuivatamist. Tulemusena tekib ainult tahkes olekus aine – nanoskaala mõõtmetes poorne vaht.

Iseorganiseerumine

Iseorganiseerumine on protsess, kus juba olemas olevad individuaalsed komponendid organiseerivad end funktsioonideks ja mustriteks. Lai valik peptiide ja proteiine on näidanud häid omadusi stabiilsete nanokiu struktuuride ehitamisel. Saadud nanokiududel on suur korrapärasus ning mõnel juhul tekib ka perioodilise heeliksi kuju. Molekuli struktuuri muutes saab muuta kiudude diameetrit ja pinna struktuuri. Nii formeerunud kiudu kasutatakse näiteks elektroonikas, optikas ja biomeditsiinitehnikas.

Karakteriseerimine

Teaduslikust seisukohast on tähtis teada nanokiu põhilisi omadusi, näiteks morfoloogiat, molekulaarstruktuuri ja mehaanilisi omadusi. Nanokiu õige valmistamismeetodi valimiseks on vaja täpselt teada kiudude struktuuri ja füüsikalisi omadusi. Peamiselt kasutatakse karakteriseerimiseks optilist mikroskoopiat (OM), skaneerivat elektronmikroskoopi (SEM), läbivalgustavat elektronmikroskoopi, aatomijõumikroskoopi (AFM), transmissioonelektronmikroskoopi (TEM), skaneerivat tunnelmikroskoopi. Nende meetoditega saab karakteriseerida nanokiu diameetrit, pooride suurust ja poorsust, mis kõik on õige valmistamismeetodi valikuks vajalikud.

Optilise mikroskoopia meetod

Optiline mikroskoop, teise nimega valgusmikroskoop, on mikroskoop, mis töötab nähtava valguse ja läätsesüsteemiga, et saada objektist suurendatud pilt. Optilist mikroskoopiat kasutades saab üpris suure täpsusega kindlaks määrata nanokiu diameetreid ja kiudude suuna.

Skaneeriv elektronmikroskoop

Skaneeriva elektronmikroskoobi (SEM-i) abil on võimalik saada kõrgeresolutsioonilist pilti objektist. OM-iga võrreldes, saab SEM-iga parema arusaamise pinna mikrostruktuurist. SEM-is vaadeldav objekt peab olema juhtiv ning peab sobima vaakumkeskkonda. Seega kasutatavaid nanokiude kuivatatakse ning kaetakse näiteks kullaosakestega, et oleks võimalik objekti SEM-iga uurida. Tänapäeval on SEM-i kasutamine nanokiu uurimiseks laialt levinud, kuna sellel on väga kõrge resolutsioon ning suurem teravussügavus. SEM-ile saab ka lisada AFM-i konsooli ning seda nanomanipulaatorina kasutades saab testida nanokiu mehaanilisi omadusi või lihtsalt kiudu muuta.

Transmissioonelektronmikroskoop

TEM on mikroskoop, kus elektronikimp suunatakse läbi objekti, et saada suurendatud kujutis kas fluorestseerival ekraanil, fotofilmi kihil või detekteeritakse CCD-kaameraga. Nagu SEM-iga, saab TEM-i abil karakteriseerida nanokiu geomeetrilisi omadusi nagu kiu diameeter, diameetri jaotus, kiu suund ning ka kiu ristlõike omadusi ja pinna karedust. TEM-i kasutades ei ole vaja objekti kuivatada, seega saab TEM-is kasutada elektroformeeritud objekte otse polümeeri lahusest. TEM-i abil saab ka uurida kiudude jaotuvust komposiitnanokiududes. TEM-is nanokiu uurimisel kasutatakse spetsiaalset TEM-i võret, millele lisatakse elektroformeerimise käigus süstlaga nanokiulahus, mille käigus kiud jäävad võre külge. Sarnaselt SEM-iga saab ka TEM-ile lisada nanomanipulaatoreid.

Aatomijõumikroskoop

Aatomijõumikroskoop (AFM – atomic force microscope) on suure resolutsiooniga skaneeriv sondmikroskoop. Sarnaselt SEM-iga ja TEM-iga saab AFM-i kasutada nanokiu geomeetriliste omaduste uurimiseks (diameeter, paiknemine, morfoloogia). AFM-i kasutades on vaja aga kasutada täpset protseduuri, kuna saadav pilt pole õige suurusega. AFM-i teraviku geomeetria tõttu näivad kiud suuremad, kui nad tegelikult on. Täpseks mõõtmiseks on vaja uurida kiude, mis ristuvad üksteisega pinna peal. Võrdluseks võetakse alumise kiu horisontaalne puutuja. Vertikaalset kaugust selle puutuja kohalt loetakse ülemise kiu täpseks diameetriks.

Skaneeriv tunnelmikroskoop

Skaneerivat tunnelmikroskoopi (STM – scanning tunneling microscope) kasutatakse peamiselt nanomaterjalide pinna topograafiast 3D-pildi saamiseks. Pinnamuutuste ja topograafia uurimine STM-iga on kasuks nanokiu pinnanähtuste reaktsioonide uurimiseks, millest võib olla kasu nanokiu piirpinnalistest nähtustest arusaamiseks. Lisaks on STM-i abil suudetud liigutada ja ümber paigutada aatomeid, mis loob võimaluse nanokiu liigutamiseks ja disainimiseks lähitulevikus.