"Structured spheres generated by an in-fibre fluid instability". J. J. Kaufman, G. Tao, S. Shabahang, E. -H. Banaei, D. S. Deng, X. Liang, S. G. Johnson, Y. Fink, A. F. Abouraddy. NATURE. In press. DOI: 10.1038/nature11215
From drug delivery to chemical and biological catalysis and cosmetics,
the need for efficient fabrication pathways for particles over a wide
range of sizes, from a variety of materials, and in many different
structures has been well established. Here we harness the inherent scalability of fibre production and an in-fibre Plateau–Rayleigh capillary instability for the fabrication of uniformly sized, structured spherical particles spanning an exceptionally wide range of sizes: from 2 mm down to 20 nm. Thermal processing of a multimaterial fibre controllably induces the instability, resulting in a well-ordered, oriented emulsion
in three dimensions. The fibre core and cladding correspond to the
dispersed and continuous phases, respectively, and are both frozen in situ
on cooling, after which the particles are released when needed. By
arranging a variety of structures and materials in a macroscopic
scaled-up model of the fibre, we produce composite, structured,
spherical particles, such as core–shell particles, two-compartment
‘Janus’ particles,
and multi-sectioned ‘beach ball’ particles. Moreover, producing fibres
with a high density of cores allows for an unprecedented level of
parallelization. In principle, 108 50-nm cores may be
embedded in metres-long, 1-mm-diameter fibre, which can be induced to
break up simultaneously throughout its length, into uniformly sized,
structured spheres.
Desde la liberación de medicamentos hasta la catálisis química y biológica, y los cosméticos, requieren la fabricación eficiente de partículas de diversos materiales de muchos tamaños. Aquí se utiliza la escalabilidad inherente a la producción de fibras y una inestabilidad capilar tipo Plateau-Rayleigh en las fibras para la fabricación de partículas esféricas estructuradas con un tamaño uniforme que cubre un intervalo excepcionalmente amplio de tamaños: desde 2 mm hasta los 20 nm. El procesamiento térmico de una fibra multimaterial induce la inestabilidad, la cual provoca la formación tridimensional de una emulsión orientada y bien ordenada. El núcleo de la fibra y su recubrimiento corresponden a las fases dispersas y continuas, respectivamente, y ambas se congelan in situ al enfriarse, después de lo cual las partículas se liberan cuando se necesitan. Acomodando una variedad de estructuras y materiales en un modelo macroscópico a escala de la fibra, se producen partículas esféricas, compuestas y estructuradas, tales como las partículas tipo núcleo-cáscara, las partículas de dos compartimentos tipo "Janus", y las partículas multiseccionadas tipo "pelota de playa". Es más, la producción de fibras con una alta densidad de núcleos permite un nivel de paralelismo sin precedentes. En principio, 108 núcleos de 50 nm pueden introducirse en una fibra de 1 mm de diámetro con varios metros de longitud, a la cual puede inducirse su ruptura simultánea, a lo largo de toda su longitud, en esferas estructuradas de tamaño uniforme.
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