Kemikere skaber 3D-printet grafenskum

Nanoteknologer fra Rice University og Kinas Tianjin University har brugt 3-D laserprint til at fremstille centimeterstore objekter af atomisk tynd grafen.

Forskningen kan give industrielt nyttige mængder af bulk grafen og er beskrevet online i en ny undersøgelse i tidsskriftet American Chemical Society ACS Nano .

"Denne undersøgelse er den første af sin slags, " sagde Rice kemiker James Tour, medkorresponderende forfatter til papiret. "Vi har vist, hvordan man laver 3-D grafenskum fra non-grafen udgangsmaterialer, og metoden egner sig til at blive skaleret til grafenskum til additive fremstillingsapplikationer med porestørrelseskontrol."

grafen, et af tiårets mest intenst undersøgte nanomaterialer, er en todimensional plade af rent kulstof, der er både ultrastærk og ledende. Forskere håber at kunne bruge grafen til alt fra nanoelektronik og tømidler til fly til batterier og knogleimplantater. Men de fleste industrielle applikationer ville kræve store mængder grafen i en tredimensionel form, og forskere har kæmpet for at finde enkle måder at skabe bulk 3-D grafen på.

For eksempel, forskere i Tours laboratorium begyndte at bruge lasere, pulveriseret sukker og nikkel til at lave 3-D grafenskum i slutningen af ​​2016. Tidligere på året viste de, at de kunne forstærke skummet med kulstof nanorør, som producerede et materiale, de kaldte "armeringsjernsgrafen", der kunne bevare sin form, mens det understøttede 3, 000 gange sin egen vægt. Men at lave armeringsjernsgrafen var ikke nogen nem opgave. Det krævede en præfabrikeret 3D-form, en 1, 000 grader Celsius kemisk dampaflejring (CVD) proces og næsten tre timers opvarmning og afkøling.

I den seneste undersøgelse, et hold fra Tours laboratorium og laboratorierne hos Rice's Jun Luo og Tianjins Naiqin Zhao tilpassede en almindelig 3-D-printteknik til at lave blokke af grafenskum i fingerspidsstørrelse. Processen udføres ved stuetemperatur. Der kræves ingen forme, og udgangsmaterialerne er pulveriseret sukker og nikkelpulver.

"Denne enkle og effektive metode fjerner behovet for både koldpresseforme og højtemperatur CVD-behandling, " sagde co-lead forfatter Junwei Sha, en tidligere studerende i Tours laboratorium, som nu er postdoktor ved Tianjin. "Vi burde også være i stand til at bruge denne proces til at producere specifikke typer grafenskum som 3-D-printet armeringsjernsgrafen såvel som både nitrogen- og svovl-doteret grafenskum ved at ændre prækursorpulverne."

Tre-D-laserprintere fungerer anderledes end de mere velkendte ekstruderingsbaserede 3-D-printere, som skaber genstande ved at presse smeltet plastik gennem en nål, mens de sporer todimensionelle mønstre. Ved 3-D lasersintring, en laser skinner ned på en flad pudderseng. Uanset hvor laseren rører pulver, det smelter eller sintrer pulveret til en fast form. Laseren er rasteret, eller flyttet frem og tilbage, linje for linje for at skabe et enkelt todimensionelt udsnit af et større objekt. Derefter lægges et nyt lag pulver over toppen af ​​dette lag, og processen gentages for at opbygge tredimensionelle objekter fra på hinanden følgende todimensionelle lag.

Den nye Rice-proces brugte en kommercielt tilgængelig CO2-laser. Da denne laser blev skinnet på sukkeret og nikkelpulveret, sukkeret blev smeltet og nikkel virkede som katalysator. Grafen blev dannet, da blandingen afkøledes, efter at laseren var gået videre til at smelte sukker på det næste sted, og Sha og kolleger gennemførte en udtømmende undersøgelse for at finde den optimale mængde tid og laserkraft til at maksimere grafenproduktionen.

Skummet, der dannes af processen, er en lavdensitet, 3-D form for grafen med store porer, der tegner sig for mere end 99 procent af dets volumen.

"De 3-D grafenskum, der er fremstillet ved vores metode, viser lovende for applikationer, der kræver hurtig prototyping og fremstilling af 3-D kulstofmaterialer, herunder energilagring, dæmpning og lydabsorption, " sagde medforfatter Yilun Li, en kandidatstuderende på Rice.