Grafeen is een wondermateriaal dat met hoge verwachtingen wordt opgezadeld. Ontdekt in 2004, het is 1 miljoen keer dunner dan een mensenhaar, 300 keer sterker dan staal en het is de bekendste geleider van warmte en elektriciteit. Deze kwaliteiten kunnen onder andere, computers sneller maken, batterijen krachtiger en zonnepanelen zuiniger.

Maar het materiaal is moeilijk te manipuleren buiten zijn tweedimensionale vorm.

Onlangs, wetenschappers goten grafeenoxide-suspensie, een gelachtige vorm van het materiaal, in vriesvormen om 3D-objecten te maken. Het proces werkt, maar alleen met eenvoudige structuren die beperkte commerciële toepassingen hebben.

Een andere optie is het gebruik van een 3D-printer. In dit scenario, wetenschappers mengen grafeen meestal met een polymeer of een ander verdikkingsmiddel. Dit helpt voorkomen dat de structuur uit elkaar valt. Maar wanneer het polymeer via een thermisch proces wordt verwijderd, het beschadigt de delicate structuur.

Een onderzoeksteam - bestaande uit ingenieurs van de Universiteit van Buffalo, Kansas State University en het Harbin Institute of Technology in China hebben dat probleem misschien opgelost.

Een studie gepubliceerd op 10 februari in het tijdschrift Klein beschrijft hoe het team een ​​aangepaste 3D-printer en bevroren water gebruikte om roostervormige kubussen en een driedimensionale truss met uitsteeksels te maken met behulp van grafeenoxide. De structuren kunnen een belangrijke stap zijn om grafeen commercieel levensvatbaar te maken in de elektronica, medische diagnostische apparaten en andere industrieën.

"Grafeen is notoir moeilijk te manipuleren, maar de structuren die we hebben gebouwd laten zien dat het mogelijk is om de vorm ervan in driedimensionale vormen te controleren, " zei Chi Zhou, universitair docent industriële en systeemtechniek aan de UB's School of Engineering and Applied Sciences, en een corresponderende auteur van de studie.

Zhou is lid van de Sustainable Manufacturing and Advanced Robotic Technologies (SMART), een UB Community of Excellence gelanceerd in 2015; hij is ook lid van UB's New York State Center of Excellence in Materials Informatics.

In hun experimenten, het onderzoeksteam mengde het grafeenoxide met water. Vervolgens drukten ze het rooster op een oppervlak van -25°C. Het grafeen is ingeklemd tussen de lagen bevroren ijs, die als structurele ondersteuning fungeren.

Nadat het proces is voltooid, het rooster is ondergedompeld in vloeibare stikstof, die helpt bij het vormen van nog sterkere waterstofbruggen. Het rooster wordt vervolgens in een vriesdroger geplaatst, waar het ijs wordt omgezet in gas en wordt verwijderd. Het eindresultaat is een complexe, driedimensionale structuur gemaakt van grafeen aerogel die zijn vorm behoudt bij kamertemperatuur.

"Door het grafeen in een koude omgeving te bewaren, we konden ervoor zorgen dat het de vorm behield die we hadden ontworpen. Dit is een belangrijke stap om van grafeen een commercieel levensvatbaar materiaal te maken. " zei Dong Lin, assistent-professor industriële en productiesysteemtechniek aan de Kansas State University, en de andere corresponderende auteur van de studie.

De onderzoekers zijn van plan voort te bouwen op hun bevindingen door te onderzoeken hoe aerogelstructuren uit meerdere materialen kunnen worden gemaakt.