Onderzoekers van Virginia Tech en Lawrence Livermore National Laboratory hebben een nieuwe manier ontwikkeld om complexe objecten van een van de best presterende materialen in de batterij- en ruimtevaartindustrie in 3D te printen.

Eerder, onderzoekers konden dit materiaal alleen afdrukken, bekend als grafeen, in 2D-platen of basisstructuren. Maar ingenieurs van Virginia Tech hebben nu samengewerkt aan een project waarmee ze grafeenobjecten in 3D kunnen printen met een resolutie die groter is dan ooit tevoren. die de mogelijkheid ontgrendelt om in theorie elke grootte of vorm van grafeen te creëren.

Vanwege zijn sterkte - grafeen is een van de sterkste materialen die ooit op aarde zijn getest - en zijn hoge thermische en elektrische geleidbaarheid, 3D-geprinte grafeenobjecten zouden in bepaalde industrieën zeer gewild zijn, inclusief batterijen, ruimtevaart, scheiding, warmte beheer, sensoren, en katalyse.

Grafeen is een enkele laag koolstofatomen georganiseerd in een hexagonaal rooster. Wanneer grafeenplaten netjes op elkaar worden gestapeld en tot een driedimensionale vorm worden gevormd, het wordt grafiet, algemeen bekend als de "lood" in potloden.

Omdat grafiet gewoon samengepakt grafeen is, het heeft vrij slechte mechanische eigenschappen. Maar als de grafeenplaten worden gescheiden met met lucht gevulde poriën, de driedimensionale structuur kan zijn eigenschappen behouden. Deze poreuze grafeenstructuur wordt een grafeen-aerogel genoemd.

"Nu kan een ontwerper een driedimensionale topologie ontwerpen die bestaat uit onderling verbonden grafeenplaten, " zei Xiaoyu "Rayne" Zheng, assistent-professor bij de afdeling Werktuigbouwkunde van het College of Engineering en directeur van het Advanced Manufacturing and Metamaterials Lab. "Deze nieuwe ontwerp- en fabricagevrijheid zal leiden tot optimalisatie van sterkte, geleidbaarheid, massa vervoer, kracht, en gewichtsdichtheid die niet haalbaar zijn in grafeen-aerogels."

Zheng, ook een aangesloten faculteitslid van het Macromolecules Innovation Institute, heeft subsidies ontvangen om materialen op nanoschaal te bestuderen en op te schalen naar lichtgewicht en functionele materialen voor toepassingen in de ruimtevaart, auto's, en batterijen.

Eerder, onderzoekers konden grafeen printen met behulp van een extrusieproces, een soort van knijpen in tandpasta, maar die techniek kon alleen eenvoudige objecten creëren die op zichzelf werden gestapeld.

"Met die techniek er zijn zeer beperkte structuren die u kunt maken omdat er geen ondersteuning is en de resolutie vrij beperkt is, dus je kunt geen vrije vormfactoren krijgen, "Zei Zheng. "Wat we deden was om deze grafeenlagen in elke gewenste vorm te krijgen met een hoge resolutie."

Dit project begon drie jaar geleden toen Ryan Hensleigh, hoofdauteur van het artikel en nu een derdejaars Macromolecular Science and Engineering Ph.D. student, begon een stage bij het Lawrence Livermore National Laboratory in Livermore, Californië. Hensleigh begon te werken met Zheng, die toen lid was van de technische staf van het Lawrence Livermore National Laboratory. Toen Zheng in 2016 toetrad tot de faculteit van Virginia Tech, Hensleigh volgde als student en werkte verder aan dit project.

Om deze complexe structuren te creëren, Hensleigh begon met grafeenoxide, een voorloper van grafeen, het verknopen van de vellen om een ​​poreuze hydrogel te vormen. De grafeenoxide-hydrogel breken met ultrageluid en lichtgevoelige acrylaatpolymeren toevoegen, Hensleigh zou projectiemicro-stereolithografie kunnen gebruiken om de gewenste solide 3D-structuur te creëren met het grafeenoxide dat in de lange, stijve ketens van acrylaatpolymeer. Eindelijk, Hensleigh zou de 3D-structuur in een oven plaatsen om de polymeren te verbranden en het object samen te smelten, waardoor een pure en lichtgewicht grafeen-aerogel achterblijft.

"Het is een belangrijke doorbraak in vergelijking met wat er is gedaan, "Zei Hensleigh. "We hebben toegang tot vrijwel elke gewenste structuur." De belangrijkste bevinding van dit werk, die onlangs werd gepubliceerd met medewerkers van het Lawrence Livermore National Laboratory in het tijdschrift Materialen Horizons , is dat de onderzoekers grafeenstructuren hebben gemaakt met een resolutie die een orde van grootte fijner is dan ooit afgedrukt. Hensleigh zei dat andere processen tot 100 micron kunnen afdrukken, maar met de nieuwe techniek kan hij tot 10 micron in resolutie printen, die de grootte van echte grafeenvellen benadert.

"We hebben kunnen laten zien dat je een complexe, driedimensionale architectuur van grafeen met behoud van enkele van zijn intrinsieke primaire eigenschappen, "Zegt Zheng. "Meestal als je grafeen in 3D probeert te printen of op te schalen, je verliest de meeste van hun lucratieve mechanische eigenschappen die te vinden zijn in de vorm van één vel."