Hemmeligheden bag 3D-grafen? Bare frys det

Grafen er et vidundermateriale med store forventninger. Opdaget i 2004, det er 1 million gange tyndere end et menneskehår, 300 gange stærkere end stål, og det er den bedst kendte leder af varme og elektricitet. Disse egenskaber kunne bl. blandt andet, gøre computere hurtigere, batterier mere kraftfulde og solpaneler mere effektive.

Men materialet er svært at manipulere ud over dets todimensionelle form.

For nylig, videnskabsmænd hældte grafenoxidsuspension, en gel-lignende form af materialet, i fryseforme for at skabe 3D-objekter. Processen fungerer, men kun med enkle strukturer, der har begrænsede kommercielle anvendelser.

En anden mulighed er at bruge en 3D-printer. I dette scenarie, forskere blander typisk grafen med en polymer eller et andet fortykningsmiddel. Dette hjælper med at forhindre strukturen i at falde fra hinanden. Men når polymeren fjernes via termisk proces, det ødelægger den sarte struktur.

Et forskerhold - bestående af ingeniører fra universitetet i Buffalo, Kansas State University og Harbin Institute of Technology i Kina - kan have løst det problem.

En undersøgelse offentliggjort 10. februar i tidsskriftet Lille beskriver, hvordan teamet brugte en modificeret 3D-printer og frosset vand til at skabe gitterformede terninger og et tredimensionelt fagværk med udhæng ved hjælp af grafenoxid. Strukturerne kan være et vigtigt skridt i retning af at gøre grafen kommercielt levedygtigt inden for elektronik, medicinsk diagnostisk udstyr og andre industrier.

"Graphene er notorisk svært at manipulere, men de strukturer, vi byggede, viser, at det er muligt at kontrollere dens form i tredimensionelle former, " sagde Chi Zhou, adjunkt i industri- og systemteknik ved UB's School of Engineering and Applied Sciences, og en tilsvarende forfatter til undersøgelsen.

Zhou er medlem af Sustainable Manufacturing and Advanced Robotic Technologies (SMART), et UB Community of Excellence lanceret i 2015; han er også medlem af UB's New York State Center of Excellence in Materials Informatics.

I deres eksperimenter, forskerholdet blandede grafenoxidet med vand. De trykte derefter gitterrammen på en overflade på -25°C. Grafen er klemt mellem lagene med frossen is, som fungerer som en strukturel støtte.

Efter processen er afsluttet, gitteret er dyppet i flydende nitrogen, som hjælper med at danne endnu stærkere brintbindinger. Gitteret placeres derefter i en frysetørrer, hvor isen omdannes til gas og fjernes. Slutresultatet er et komplekst, tredimensionel struktur lavet af graphene aerogel, der bevarer sin form ved stuetemperatur.

"Ved at holde grafen i et koldt miljø, vi var i stand til at sikre, at den beholdt den form, vi designede. Dette er et vigtigt skridt hen imod at gøre grafen til et kommercielt levedygtigt materiale, " sagde Dong Lin, adjunkt i industri- og produktionssystemteknik ved Kansas State University, og undersøgelsens anden tilsvarende forfatter.

Forskerne planlægger at bygge videre på deres resultater ved at undersøge, hvordan man kan skabe aerogelstrukturer dannet af flere materialer.