微立体光刻3D打印石墨烯气凝胶，精度高达10微米可以站在花蕊上

弗吉尼亚理工大学工程学院和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员开发了一种新的3D打印石墨烯工艺，石墨烯是航空航天，能量储存和导电材料中性能最高的材料之一。


石墨烯由碳原子组成的单层六边形晶格结构。当石墨烯片整齐地堆叠在彼此之上并形成三维形状时，它变成石墨，通常称为铅笔中的“铅”。

由于石墨是简单的石墨烯包装在一起，因此它具有相当差的机械性能。但是如果石墨烯片与充满空气的孔分离，则三维结构可以保持其性质。该多孔石墨烯结构称为石墨烯气凝胶。

以前，研究人员只能使用直接墨水或其他基于挤出的方法3D打印石墨烯气凝胶。但该技术只能创建堆叠在自身顶部的简单对象。

“使用这种技术，你可以创造非常有限的结构，因为没有支撑，分辨率非常有限，所以你无法获得自由形态因素，”郑晓雨说，他是LLNL实验室前科学家，现任弗吉尼亚理工大学机械工程专业助理教授“我们所做的就是将这些石墨烯层设计成任何你想要的高分辨率形状。”

三年前，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）和弗吉尼亚理工大学的科学家和工程师开始专注于使用光固化技术3D打印石墨烯气凝胶，这种方法称为投影微立体光刻技术。

在投影微立体光刻中，紫外光用于将部分层的图像投影到光敏液体树脂中，光敏液体树脂被固化并硬化成图像的形状。使用这种方法，研究人员能够提高3D石墨烯气凝胶的分辨率，可以达到大约10微米。

为了创造这些复杂的结构，研究人员开始使用氧化石墨烯（石墨烯的前体），使片材交联形成多孔水凝胶。通过超声波破碎氧化石墨烯水凝胶并添加光敏丙烯酸酯聚合物，研究人员可以使用投影微立体光刻技术来创建所需的固体3D结构，其中石墨烯氧化物被捕获在长而刚性的丙烯酸酯聚合物链中。最后，他们将3D结构放置在炉子中以烧掉聚合物并将物体融合在一起，留下纯净轻质的石墨烯气凝胶。


该项目的主要挑战之一是提出与微立体光刻工艺兼容的石墨烯气凝胶树脂。 Ryan Hensleigh，LLNL的暑期实习生，正在攻读博士学位。在弗吉尼亚理工大学的大分子科学与工程专业，他表示，在找到合适的组合之前，他在两年内研究了许多化学混合物。

“与已经完成的相比，这是一项重大突破，”Hensleigh说道。 “我们可以获得您想要的任何所需结构。”从石墨烯气凝胶打印复杂结构的能力也为许多应用打开了大门，这些应用可以受益于计算机驱动的优化设计，如航空航天，反应堆，海水淡化厂和化学处理。

“我们已经能够证明你可以制作一个复杂的3D石墨烯结构，同时仍保留其内在的主要特性，”郑说。 “通常当你尝试3D打印石墨烯或放大尺寸时，你会失去其机械性能。”

科学家和工程师现在正在寻求增加3D打印部件的表面积，并将进一步研究以确定精确的参数以进一步优化该技术。

这项工作的主要发现最近发表在 Materials Horizons 杂志上。