研究人员开发3D打印高分辨复杂石墨烯的新方法

来自弗吉尼亚理工大学和劳伦斯•利弗莫尔国家实验室的研究人员开发了一种3D打印电池和航空航天业高性能复杂物体的新方法。

以前，研究人员只能在2D片材或基本结构中打印这种称为石墨烯的材料。但是弗吉尼亚理工大学的工程师们现在合作了一个项目，这个项目允许他们3D打印石墨烯对象的分辨率比以往任何时候都要大，这开启了理论上创造任何尺寸和形状的石墨烯的能力。

在草莓花上3D打印石墨烯八重桁架气凝胶（图片来源：弗吉尼亚理工大学）

由于石墨烯的强度（石墨烯是地球上测试过的最强的材料之一）以及它的高导热性和导电性，3D印刷石墨烯物体在某些工业中很有前景，包括电池、航空航天、分选、热管理、传感器和催化。

石墨烯是在六方晶格中形成的单层碳原子。当石墨烯片层叠在一起形成三维形状时，它就变成了石墨，通常被称为铅笔中的“铅”。

由于石墨被简单地包裹在石墨烯中，所以它具有相当差的机械性能。但是，如果石墨烯片与充满气孔的孔分离，则三维结构可以保持其性能。这种多孔石墨烯结构被称为石墨烯气凝胶。

“现在设计者可以设计由互连的石墨烯片组成的三维拓扑结构。”工程学院机械工程系助理教授，先进制造与超材料实验室主任郑晓宇（音译）说：“这种新的设计和自由制造将导致石墨烯气凝胶无法达到强度、导电性、质量输送、强度和重量密度的优化。”

Zheng也是大分子创新研究所的附属教员，已经获得了研究纳米材料的资助，并将其应用于航空航天、汽车和电池领域的轻量化和功能性材料。

以前，研究人员可以用挤出法来印刷石墨烯，有点像挤牙膏，但是这种技术只能制造堆叠在自身顶部的简单物体。

“使用这种技术，可以创建的结构非常有限，因为没有支持，分辨率很有限，所以你不能得到自由因素。”Zheng说：“我们所做的是让这些石墨烯层被构造成任何你想要的高分辨率形状。”

该项目开始于三年前，当时文章的主要作者Ryan Hensleigh，现在是大分子科学与工程博士三年级的学生，是加利福尼亚州利弗莫尔的劳伦斯•利弗莫尔国家实验室的实习生。Hensleigh开始与Zheng合作，他当时是劳伦斯利弗莫尔国家实验室技术人员的成员。当Zheng在2016年加入弗吉尼亚理工大学做教职员工时，Hensleigh作为学生跟随，继续从事这个项目。

左：以1微米的分辨率放大石墨烯八位体桁架的扫描电子显微镜照片。右：以10微米的分辨率放大石墨烯八位体桁架的扫描电子显微镜照片。（图片来源：弗吉尼亚理工大学）

为了创建这些复杂的结构，Hensleigh从氧化石墨烯开始，氧化石墨烯是石墨烯的前体，将片材交联形成多孔水凝胶。

Hensleigh可以通过超声波破坏氧化石墨烯水凝胶，并添加光敏丙烯酸酯聚合物，利用投影微立体光刻技术，将氧化石墨烯捕获在丙烯酸酯聚合物的长、刚性链中，从而创建所需的固体3D结构。最后，Hensleigh将3D结构放入熔炉中，烧掉聚合物，将物体熔合在一起，留下纯净轻质的石墨烯气凝胶。

“与所做的相比，这是一个重大的突破。”Hensleigh说：“我们可以获取任何你想要的结构。”

这项研究的关键发现，最近与劳伦斯•利弗莫尔国家实验室的合作者发表在《材料视野》（Materials Horizons）（“复杂微结构石墨烯气凝胶的添加剂制备”）杂志上，研究显示研究人员创造的石墨烯结构分辨率比以前打印的数量级还要细。Hensleigh说，其他工艺可以打印到100微米，但新技术允许他打印到10微米的分辨率，接近实际石墨烯片的大小。

“我们可以在保持石墨烯一些固有性质的同时，制作出复杂的、三维的石墨烯结构。”Zheng说：“通常情况下，当你尝试3D印刷石墨烯或放大时，你会失去单张纸中大部分有利可图的机械性能。”

原文来自：nanowerk，原文题目：Researchers develop novel process to 3D-print grapheme，由材料科技在线团队翻译整理。