Nanovezel: draden dunner dan een haar met grote impact
Een nanovezel is een draad die zo dun is dat je hem met het blote oog niet kunt zien: de diameter ligt meestal tussen de 50 en 500 nanometer. Eén nanometer is een miljardste meter. Ter vergelijking: een gemiddelde haar op je hoofd is zo'n 80.000 nanometer dik. Leg honderden van deze nanovezels naast elkaar, en samen zijn ze nog altijd dunner dan één haarstrengetje.
Die extreme dunheid klinkt misschien als een curiositeit, maar heeft grote praktische gevolgen. Hoe dunner een vezel, hoe groter het oppervlak in verhouding tot het volume. Een handvol nanovezels heeft daardoor relatief gezien een enorm oppervlak: een paar gram materiaal kan al oppervlaktes van tientallen vierkante meters beslaan. Dat maakt nanovezels bijzonder geschikt voor toepassingen waarbij oppervlaktecontact cruciaal is, zoals het filteren van piepkleine deeltjes uit lucht of water, of het laten hechten van cellen op een medisch implantaat.
Wat is het precies?
De meest gebruikte manier om nanovezels te maken heet elektrospinnen (electrospinning). Het principe is verrassend eenvoudig te begrijpen, ook al is de uitvoering technisch precies. Je begint met een polymeeroplossing: een vloeistof waarin lange moleculenketens zijn opgelost, vergelijkbaar met een stroperige lijm. Deze vloeistof wordt door een dunne naald geperst, terwijl er een hoge elektrische spanning — vaak tientallen kilovolt — op wordt gezet.
Door die spanning raakt de vloeistofdruppel elektrisch geladen. Op een gegeven moment wint de elektrische kracht het van de oppervlaktespanning die de druppel bij elkaar houdt, en schiet er een dunne straal vloeistof naar een geaard oppervlak (de collector) verderop. Onderweg wordt die straal, door de elektrische krachten en het verdampen van het oplosmiddel, duizenden keren dunner uitgerekt. Wat overblijft op de collector is een web van vaste nanovezels, vergelijkbaar met een spinnenweb maar dan machinaal gemaakt.
Elektrospinnen is niet de enige techniek. Bij meltblown wordt gesmolten kunststof met hete lucht tot fijne vezels geblazen; dit is goedkoper en sneller, maar levert doorgaans iets dikkere vezels op (vaak nog in het micrometergebied, dus honderd keer dikker dan echte nanovezels). Force spinning of centrifugaalspinnen gebruikt middelpuntvliedende kracht in plaats van elektriciteit om vezels uit te rekken, wat sneller en energiezuiniger kan zijn. Voor sommige toepassingen, zoals in de biomedische wetenschap, gebruikt men ook zelfassemblage: moleculen die vanzelf, zonder externe kracht, uitgroeien tot vezelachtige structuren op basis van hun chemische eigenschappen.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter nanovezelonderzoek is filtratie. Omdat de vezels zo dun zijn en de poriën tussen de vezels navenant klein, kunnen nanovezelmembranen piepkleine deeltjes tegenhouden — fijnstof, bacteriën, en zelfs sommige virusdeeltjes — terwijl lucht of water er nog relatief gemakkelijk doorheen kan. Dat laatste is belangrijk: een filter dat te dicht is, kost te veel energie om lucht doorheen te blazen of water doorheen te persen.
In de geneeskunde ziet men nanovezels als een manier om structuren te bouwen die lijken op het natuurlijke weefsel in ons lichaam. Bindweefsel, huid en bloedvaten bestaan voor een deel uit vezelachtige eiwitten op nanoschaal. Onderzoekers hopen dat kunstmatige nanovezelmatten, aangebracht als wondverband of als steigerstructuur (scaffold) voor tissue engineering, cellen kunnen aanmoedigen om zich te hechten en te groeien zoals ze dat op natuurlijk weefsel zouden doen. Ook wordt gekeken naar nanovezels die medicijnen langzaam en gecontroleerd afgeven, ingebed in de vezelstructuur zelf.
Daarnaast wordt er hard gewerkt aan nanovezels voor energieopslag. Koolstofnanovezels hebben een groot oppervlak en goede elektrische geleiding, wat ze interessant maakt als elektrodemateriaal in batterijen en supercondensatoren. Ten slotte experimenteert de textielindustrie met nanovezels voor kleding die tegelijk ademend en waterafstotend is, en voor beschermende kleding tegen chemische of biologische stoffen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Tsjechische bedrijf Elmarco, opgericht in Liberec, ontwikkelde midden jaren 2000 de Nanospider-technologie: een manier om elektrospinnen op industriële schaal en zonder naalden uit te voeren, waardoor grotere hoeveelheden nanovezelmateriaal geproduceerd konden worden dan voorheen mogelijk was. Deze technologie wordt sindsdien gebruikt voor onder meer filtermedia.
De Amerikaanse fabrikant Donaldson Company paste nanovezeltechnologie toe in luchtfiltratie onder de naam Ultra-Web, gebruikt in industriële en voertuigfilters. Een dunne laag nanovezels op een dragermateriaal verbetert de filtratie-efficiëntie zonder dat de luchtweerstand sterk toeneemt.
Tijdens de coronapandemie in 2020 kreeg het Tsjechische bedrijf Respilon, met zijn merk RespiPro, aandacht voor mondkapjes met een nanovezelmembraan. Het idee was dat een dun laagje nanovezels net zo goed kleine deeltjes kan tegenhouden als dikkere filtermaterialen, maar met minder ademweerstand voor de drager.
In de medische wetenschap lopen wereldwijd talloze onderzoeksprojecten naar elektrogesponnen scaffolds voor wondgenezing en weefselherstel. Universiteiten experimenteren met nanovezelmatten die de structuur van huidweefsel nabootsen, in de hoop littekenvorming te verminderen en genezing te versnellen. Veel van dit werk bevindt zich nog in de laboratorium- of diermodelfase.
Ook op het gebied van batterijen loopt onderzoek naar koolstofnanovezels als elektrodemateriaal, onder meer bij Amerikaanse universiteiten die kijken naar nanogestructureerde elektroden om de capaciteit en levensduur van lithium-batterijen te verbeteren. Dit onderzoek is veelbelovend, maar nog niet op grote schaal commercieel toegepast.
Hoe ver is de techniek?
Voor filtratietoepassingen is nanovezeltechnologie inmiddels volwassen: bedrijven als Elmarco en Donaldson produceren al zo'n vijftien tot twintig jaar op industriële schaal, en nanovezelfilters zitten in producten die gewoon te koop zijn, van industriële luchtfilters tot mondkapjes.
Op medisch gebied ligt dat anders. Veel toepassingen — wondverband met actieve nanovezellagen, scaffolds voor orgaanherstel, medicijnafgiftesystemen — bevinden zich nog vooral in de onderzoeks- en vroege klinische testfase. Er zijn wel enkele nanovezelproducten voor wondzorg op de markt, maar de meer ambitieuze toepassingen, zoals het laten teruggroeien van complex weefsel, vergen nog jaren aan onderzoek en regelgevende goedkeuring.
Een terugkerend obstakel is opschaling. Elektrospinnen produceert van nature relatief weinig materiaal per tijdseenheid, zeker vergeleken met conventionele vezelspintechnieken die al decennia industrieel worden gebruikt. Technologieën als naaldloos elektrospinnen en force spinning proberen dit te verbeteren, maar nanovezelmateriaal blijft doorgaans duurder per kilo dan gewone vezels. Daarnaast is er nog onduidelijkheid over de langetermijneffecten van sommige nanomaterialen op gezondheid en milieu, wat extra onderzoek en voorzichtigheid vereist bij het op de markt brengen van nieuwe toepassingen.
Wie werken eraan?
Tsjechië is opvallend actief op dit gebied: naast Elmarco en Respilon is de Technische Universiteit van Liberec al jaren een centrum voor nanovezelonderzoek, mede dankzij de aanwezigheid van deze bedrijven in dezelfde stad. In de Verenigde Staten combineren bedrijven als Donaldson industriële toepassing met onderzoek aan universiteiten naar nieuwe materialen en productiemethoden.
Daarnaast zijn China, Zuid-Korea en Japan actief in zowel fundamenteel onderzoek als productie van nanovezelmaterialen, met name voor filtratie, textiel en elektronica. Wereldwijd publiceren universitaire onderzoeksgroepen op het gebied van materiaalkunde, biomedische techniek en scheikunde geregeld over nieuwe toepassingen, van betere batterijmaterialen tot verfijndere medische scaffolds. Het veld is verspreid over veel kleinere spelers en academische groepen, zonder dat er op dit moment één land of bedrijf een dominante positie heeft.