Forskere udvikler en ny proces til 3D-print af et af de stærkeste materialer på jorden

Forskere fra Virginia Tech og Lawrence Livermore National Laboratory har udviklet en ny måde at udskrive 3D-komplekse objekter af et af de mest effektive materialer, der bruges i batteri- og rumfartsindustrien.

Tidligere, forskere kunne kun udskrive dette materiale, kendt som grafen, i 2-D ark eller grundlæggende strukturer. Men Virginia Tech-ingeniører har nu samarbejdet om et projekt, der giver dem mulighed for at 3-D-printe grafenobjekter i en opløsning, der er en størrelsesorden større end nogensinde før udskrevet, som låser op for evnen til teoretisk at skabe enhver størrelse eller form af grafen.

På grund af dets styrke - grafen er et af de stærkeste materialer, der nogensinde er testet på jorden - og dets høje termiske og elektriske ledningsevne, 3D-printede grafenobjekter ville være meget eftertragtede i visse industrier, inklusive batterier, rumfart, adskillelse, varmestyring, sensorer, og katalyse.

Grafen er et enkelt lag af kulstofatomer organiseret i et sekskantet gitter. Når grafenplader stables pænt oven på hinanden og formes til en tredimensionel form, det bliver til grafit, almindeligvis kendt som "blyant" i blyanter.

Fordi grafit simpelthen er pakket sammen grafen, den har ret dårlige mekaniske egenskaber. Men hvis grafenpladerne er adskilt med luftfyldte porer, den tredimensionelle struktur kan bevare sine egenskaber. Denne porøse grafenstruktur kaldes en grafenaerogel.

"Nu kan en designer designe tredimensionel topologi bestående af indbyrdes forbundne grafenplader, "sagde Xiaoyu" Rayne "Zheng, adjunkt ved Institut for Mekanik i Ingeniørhøjskolen og direktør for Advanced Manufacturing and Metamaterials Lab. "Denne nye design- og fremstillingsfrihed vil føre til optimering af styrke, ledningsevne, massetransport, styrke, og vægttæthed, der ikke er opnåelige i grafen aerogel."

Zheng, også et tilknyttet fakultetsmedlem af Macromolecules Innovation Institute, har modtaget tilskud til at studere nanoskala materialer og skalere dem op til lette og funktionelle materialer til applikationer inden for luftfart, biler, og batterier.

Tidligere, forskere kunne udskrive grafen ved hjælp af en ekstruderingsproces, lidt som at klemme tandpasta, men den teknik kunne kun skabe enkle objekter, der stablet oven på sig selv.

"Med den teknik, der er meget begrænsede strukturer, du kan oprette, fordi der ikke er nogen støtte, og opløsningen er ret begrænset, så du kan ikke få freeform -faktorer, " sagde Zheng. "Det, vi gjorde, var at få disse grafenlag til at blive bygget til enhver form, du ønsker, med høj opløsning."

Dette projekt begyndte for tre år siden, da Ryan Hensleigh, hovedforfatter til artiklen og nu en tredjeårig Macromolecular Science and Engineering Ph.D. studerende, begyndte i praktik på Lawrence Livermore National Laboratory i Livermore, Californien. Hensleigh begyndte at arbejde med Zheng, som derefter var medlem af det tekniske personale på Lawrence Livermore National Laboratory. Da Zheng sluttede sig til fakultetet ved Virginia Tech i 2016, Hensleigh fulgte med som studerende og fortsatte med at arbejde på dette projekt.

For at skabe disse komplekse strukturer, Hensleigh startede med grafenoxid, en forløber for grafen, tværbinding af arkene til dannelse af en porøs hydrogel. Bryde grafenoxidhydrogel med ultralyd og tilføje lysfølsomme acrylatpolymerer, Hensleigh kunne bruge projektionsmikro-stereolitografi til at skabe den ønskede solide 3D-struktur med grafenoxidet fanget i det lange, stive kæder af acrylatpolymer. Endelig, Hensleigh ville placere 3D-strukturen i en ovn for at brænde polymererne af og smelte objektet sammen, efterlader en ren og let grafen aerogel.

"Det er et betydeligt gennembrud i forhold til, hvad der er blevet gjort, "Sagde Hensleigh." Vi kan få adgang til stort set enhver ønsket struktur, du ønsker. "Det centrale fund ved dette arbejde, som for nylig blev offentliggjort med samarbejdspartnere ved Lawrence Livermore National Laboratory i tidsskriftet Materialer Horisonter , er, at forskerne skabte grafenstrukturer med en opløsning en størrelsesorden finere end nogensinde trykt. Hensleigh sagde, at andre processer kunne udskrive ned til 100 mikron, men den nye teknik giver ham mulighed for at printe ned til 10 mikron i opløsning, som nærmer sig størrelsen af ​​faktiske grafenark.

"Vi har været i stand til at vise, at du kan lave et kompleks, tredimensionel arkitektur af grafen, mens den stadig bevarer nogle af dens iboende primære egenskaber, " sagde Zheng. "Normalt når du prøver at 3D-printe grafen eller skalere op, du mister de fleste af deres lukrative mekaniske egenskaber, der findes i dens enkeltarksform."