Nanotechnologen van de Rice University en de Chinese Tianjin University hebben 3D-laserprinten gebruikt om centimetergrote objecten van atomair dun grafeen te fabriceren.

Het onderzoek zou industrieel bruikbare hoeveelheden grafeen in bulk kunnen opleveren en wordt online beschreven in een nieuwe studie in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano .

"Deze studie is een eerste in zijn soort, " zei Rice scheikundige James Tour, co-corresponderende auteur van het artikel. "We hebben laten zien hoe we 3D-grafeenschuim kunnen maken van niet-grafeen uitgangsmaterialen, en de methode leent zich om te worden geschaald naar grafeenschuim voor additieve fabricagetoepassingen met controle van de poriegrootte."

grafeen, een van de meest intensief bestudeerde nanomaterialen van het decennium, is een tweedimensionale plaat van pure koolstof die zowel ultrasterk als geleidend is. Wetenschappers hopen grafeen voor alles te kunnen gebruiken, van nano-elektronica en vliegtuigontdooiers tot batterijen en botimplantaten. Maar voor de meeste industriële toepassingen zijn grote hoeveelheden grafeen nodig in een driedimensionale vorm, en wetenschappers hebben geworsteld om eenvoudige manieren te vinden om bulk 3D-grafeen te maken.

Bijvoorbeeld, onderzoekers in het lab van Tour begonnen lasers te gebruiken, poedersuiker en nikkel om eind 2016 3D-grafeenschuim te maken. Eerder dit jaar toonden ze aan dat ze het schuim konden versterken met koolstofnanobuisjes, die een materiaal produceerden dat ze "wapening grafeen" noemden dat zijn vorm kon behouden terwijl het 3 ondersteunde, 000 keer zijn eigen gewicht. Maar het maken van wapening grafeen was geen eenvoudige taak. Het vereiste een geprefabriceerde 3D-mal, een 1, Chemische dampafzetting (CVD) van 000 graden Celsius en bijna drie uur verwarmen en koelen.

In de laatste studie, een team van Tour's lab en de laboratoria van Rice's Jun Luo en Tianjin's Naiqin Zhao pasten een gemeenschappelijke 3D-printtechniek aan om blokken grafeenschuim ter grootte van een vingertop te maken. Het proces wordt uitgevoerd bij kamertemperatuur. Er zijn geen mallen nodig en de uitgangsmaterialen zijn poedersuiker en nikkelpoeder.

"Deze eenvoudige en efficiënte methode elimineert de noodzaak van zowel koude persvormen als CVD-behandeling op hoge temperatuur, " zei mede-hoofdauteur Junwei Sha, een voormalig student in het lab van Tour die nu een postdoctoraal onderzoeker is in Tianjin. "We zouden dit proces ook moeten kunnen gebruiken om specifieke soorten grafeenschuim te produceren, zoals 3D-geprint wapeningsgrafeen en zowel met stikstof als zwavel gedoteerd grafeenschuim door de voorloperpoeders te veranderen."

Drie-D-laserprinters werken anders dan de meer bekende op extrusie gebaseerde 3D-printers, die objecten creëren door gesmolten plastic door een naald te persen terwijl ze tweedimensionale patronen uittekenen. Bij 3D laser sinteren, een laser schijnt op een vlak bed van poeder. Waar de laser poeder aanraakt, het smelt of sintert het poeder tot een vaste vorm. De laser is gerasterd, of heen en weer bewogen, regel voor regel om een ​​enkele tweedimensionale plak van een groter object te maken. Vervolgens wordt een nieuwe laag poeder over die laag gelegd en wordt het proces herhaald om driedimensionale objecten op te bouwen uit opeenvolgende tweedimensionale lagen.

Het nieuwe Rice-proces maakte gebruik van een in de handel verkrijgbare CO2-laser. Toen deze laser op de suiker en het nikkelpoeder scheen, de suiker werd gesmolten en het nikkel werkte als katalysator. Grafeen werd gevormd toen het mengsel afkoelde nadat de laser verder was gegaan om suiker te smelten op de volgende plek, en Sha en collega's voerden een uitgebreide studie uit om de optimale hoeveelheid tijd en laservermogen te vinden om de grafeenproductie te maximaliseren.

Het schuim dat door het proces ontstaat, is een lage dichtheid, 3D-vorm van grafeen met grote poriën die meer dan 99 procent van het volume uitmaken.

"De 3D-grafeenschuimen die door onze methode zijn bereid, zijn veelbelovend voor toepassingen die snelle prototyping en productie van 3D-koolstofmaterialen vereisen, inclusief energieopslag, demping en geluidsabsorptie, " zei co-hoofdauteur Yilun Li, een afgestudeerde student aan Rice.