Wetenschappers van Rice University hebben een eenvoudige manier ontwikkeld om geleidende, driedimensionale objecten gemaakt van grafeenschuim.

De squishy vaste stoffen zien eruit en voelen aan als kinderspeelgoed, maar bieden nieuwe mogelijkheden voor energieopslag en flexibele elektronische sensortoepassingen, volgens Rice scheikundige James Tour.

De techniek gedetailleerd in Geavanceerde materialen is een uitbreiding van het baanbrekende werk van het Tour-lab dat in 2014 het eerste lasergeïnduceerde grafeen (LIG) produceerde door goedkope polyimide-kunststofplaten met een laser te verwarmen.

De laser brandt halverwege het plastic en verandert de bovenkant in onderling verbonden vlokken van 2-D koolstof die aan de onderste helft vast blijven zitten. LIG kan worden gemaakt in patronen op macroschaal bij kamertemperatuur.

Het lab breidde zijn techniek uit om LIG op hout en zelfs voedsel te maken, maar 3D-objecten van puur grafeen waren tot nu toe minder praktisch, zei toer.

"Nu hebben we een prototypemachine gebouwd waarmee we grafeenschuim in 3D-objecten kunnen maken door geautomatiseerde opeenvolgende lagen en laserbelichting, Tour zei. "Dit brengt grafeen echt in de derde dimensie zonder ovens of de noodzaak van metaalkatalysatoren, en ons proces is eenvoudig op te schalen."

De nieuwe methode is gebaseerd op de fabricage van gelamineerde objecten, waarin lagen van een materiaal worden samengevoegd en vervolgens in vorm worden gesneden. In dit geval, de onderste LIG-laag blijft gehecht aan zijn polyimidebasis. Een tweede laag is bedekt met ethyleenglycol en met de voorzijde naar beneden op de eerste geplaatst, als een broodje jam. De bovenkant van polyimide wordt vervolgens gebrand tot grafeen; het proces wordt herhaald totdat het blok is voltooid.

Het ethyleenglycol bindmiddel wordt op een hete plaat verdampt, en eventueel achtergebleven polyimide kan in een oven worden verwijderd. Dat laat een ongerepte, sponsachtig koolstofblok, zei Duy Xuan Luong, een afgestudeerde Rice-student en co-hoofdauteur van het artikel. Het Rice-lab stapelde tot vijf lagen schuim op en gebruikte vervolgens een op maat gemaakt fiberlasing-systeem op een aangepaste 3D-printer om het blok in complexe vormen te frezen.

Het laboratorium assembleerde proof-of-concept lithium-ioncondensatoren die 3D LIG als zowel anodes als kathodes gebruikten. De gravimetrische capaciteit van de anode van 354 milliampère uur per gram naderde de theoretische limiet van grafiet, terwijl de capaciteit van de kathode de gemiddelde capaciteit van andere koolstofmaterialen overschreed. Volledige testcellen behielden ongeveer 70 procent van hun capaciteit na 970 laad-ontlaadcycli.

"Dit zijn uitstekende prestaties in deze nieuwe generatie lithium-ioncondensatoren, die de beste eigenschappen van lithium-ionbatterijen en condensatorhybriden vastleggen, ' zei Tour.

De onderzoekers infuseerden vervolgens een blok 3D LIG met vloeibaar polydimethylsiloxaan door de poriën van 20 tot 30 nanometer. Dit zorgde voor een sterkere, nog steeds flexibel, geleidend materiaal zonder de vorm van het oorspronkelijke schuim te veranderen. Van dit materiaal, ze maakten een flexibele sensor die nauwkeurig de pols van de pols van een vrijwilliger registreerde en zeiden dat verdere kalibratie van het apparaat hen in staat zou stellen de bloeddruk uit de polsgolfvorm te halen.