尼龙6纳米纤维膜因其卓越的机械强度、高孔隙率和大比表面积而备受关注。这种材料通常通过熔融纺丝、干法纺丝和湿法纺丝等传统技术制造，但静电纺丝技术因其高度可制造性和广泛应用潜力而脱颖而出。尼龙6作为一种热塑性聚合物，在纳米纤维合成中被广泛应用，其在能源、环境和生物医学等领域展现出巨大潜力，例如作为电池隔膜、过滤材料和组织工程支架等。

然而，尼龙6纳米纤维膜也面临一些挑战，如化学和机械降解、毒性、不可生物降解性、难以回收、高生产成本以及易堵塞等问题。为了克服这些缺点并优化其性能，研究者们通过静电纺丝技术来调控纤维的物理化学特性，以满足不同应用需求。尽管如此，关于尼龙6纳米纤维膜的理论电子特性研究仍相对不足。因此，本研究不仅通过实验探索了尼龙6纳米纤维膜的物理化学特性，还利用密度泛函理论（DFT）对其电子特性进行了理论分析，以期为该材料的进一步开发和应用提供理论支持。

一：主要研究成果

1. 静电纺制备尼龙6纳米纤维膜

本研究通过静电纺丝技术成功制备了尼龙6纳米纤维膜。研究者首先将尼龙6颗粒溶解于乙酸和甲酸的混合溶剂中，配制出不同浓度（14 wt%、16 wt% 和 18 wt%）的溶液。随后，将溶液装入注射器中，通过喷头施加高电压（20 kV 或 25 kV），利用电场力将溶液拉伸成超细纤维，并使其沉积在铝箔覆盖的收集器上形成纳米纤维膜。通过精确控制溶液浓度、电压和喷头与收集器之间的距离等参数，调节纤维的直径和形貌，成功制备出均匀的尼龙6纳米纤维膜。结果显示，14 wt%的尼龙6溶液在20 kV电压下能够形成均匀的超细纳米纤维，且未出现珠状结构和蜘蛛网状结构（如图1所示）。

图1.不同浓度和电压下静电纺丝尼龙6纳米纤维的 SEM 图像(a)14 wt% @ 20 kV,(b)16 wt% % @20kV,(c)18wt%@20 kV,(d)14wt%@25kV,(e)16wt%% @ 25 kV和(f)18 wt% @25 kV及其各自的纤维直径尺寸分布(nm)

2. 浓度和电压对纤维直径的影响

研究发现，电纺纤维的直径与溶液浓度成正比，且随着电压的升高略有减小。具体而言，当浓度从14 wt%增加到18 wt%时，纤维直径从73.34 nm增加到85.00 nm（20 kV电压下）。而当电压从20 kV增加到25 kV时，纤维直径略有减小，例如14 wt%的纤维直径从73.34 nm减小到72.12 nm。这表明，通过调节溶液浓度和施加电压，可以有效控制纤维的直径（如表1所示）。

表1.不同浓度和外加电压下纳米纤维的微晶尺寸和 d 间距

3. 密度泛函理论（DFT）对电子特性的分析

密度泛函理论（DFT）计算结果表明，尼龙6分子的HOMO-LUMO带隙能量为6.60 eV，表明其具有较高的动力学稳定性（如图2所示）。此外，电子化学势为-3.83 eV，表明尼龙6具有较强的电子供体能力。这些特性使得尼龙6纳米纤维膜在电化学传感和电子器件中具有潜在的应用价值。

图2.尼龙6分子的分子轨道和带隙能分析

4. 分子静电势（MESP）分析

通过对分子静电势（MESP）的分析，确定了尼龙6分子中胺基的氮原子是亲电攻击的结合位点。MESP图显示，尼龙6分子的氮原子带有正电荷，是亲电反应的有利位点，而羰基（C=O）中的氧原子带有负电荷，容易受到亲电攻击（如图3所示）。这种电荷分布特性使得尼龙6纳米纤维膜在电化学传感和电子器件中具有良好的电荷传输能力。

图3.尼龙6分子的分子静电势（MESP）图：（a）折叠的MESP；（b）展开的MESP

二：研究结论

本研究通过静电纺丝技术成功制备了尼龙6纳米纤维。利用DFT技术对尼龙6分子进行了优化，并计算了其化学描述符，包括HOMO-LUMO能级、电离能、电子亲和能等。尼龙6溶液的浓度分别为14 wt%、16 wt%和18 wt%，并分别施加了20 kV和25 kV的电压。

研究发现，14 wt%的纳米纤维促进了均匀超细纳米纤维的形成，消除了珠状结构和蜘蛛网状结构的存在。电纺纤维的直径与溶液浓度成正比，并且随着电压的升高略有减小。当施加电压达到25 kV时，随着浓度的增加，纤维直径有所减小。尼龙6纳米纤维膜的厚度随着静电纺丝电压的增加而减小，这使得制备此类膜变得更加困难。

通过对分子静电势（MESP）的分析，确定了尼龙6分子中胺基的氮原子是亲电攻击的结合位点。尼龙6的HOMO-LUMO带隙能量和全局化学反应特性表明了其动力学稳定性。本研究结果表明，浓度和施加电压的变化是改变电纺纳米纤维特性的重要因素。

文章来源：https://doi.org/10.1038/s41598-025-88356-y