Nanoteknologer från Rice University och Kinas Tianjin University har använt 3D-lasertryck för att tillverka centimeterstora objekt av atomtunn grafen.

Forskningen kan ge industriellt användbara mängder bulkgrafen och beskrivs online i en ny studie i American Chemical Society -tidskriften ACS Nano .

"Denna studie är den första i sitt slag, "sa Rice -kemisten James Tour, med motsvarande författare till tidningen. "Vi har visat hur man gör 3-D grafenskum av nongrafen utgångsmaterial, och metoden lämpar sig för att skalas till grafenskum för additiva tillverkningstillämpningar med porstorlekskontroll. "

Grafen, ett av de mest intensivt studerade nanomaterialen under decenniet, är ett tvådimensionellt ark av rent kol som är både ultrastark och ledande. Forskare hoppas kunna använda grafen för allt från nanoelektronik och avisare till flygplan till batterier och benimplantat. Men de flesta industriella applikationer kräver stora mängder grafen i en tredimensionell form, och forskare har kämpat för att hitta enkla sätt att skapa bulk 3D-grafen.

Till exempel, forskare i Tour's lab började använda lasrar, strösocker och nickel för att göra 3D-grafenskum i slutet av 2016. Tidigare i år visade de att de kunde förstärka skummet med kolnanorör, som producerade ett material som de kallade "armeringsgrafen" som kunde behålla sin form samtidigt som det stödde 3, 000 gånger sin egen vikt. Men att göra armeringsjärn grafen var ingen enkel uppgift. Det krävdes en färdig tillverkad 3D-form, a 1, 000 grader Celsius kemisk ångavsättning (CVD) process och nästan tre timmars uppvärmning och kylning.

I den senaste studien, ett team från Tour's lab och laboratorierna i Rice's Jun Luo och Tianjins Naiqin Zhao anpassade en vanlig 3D-tryckteknik för att göra fingertoppsstorlekar av grafenskum. Processen utförs vid rumstemperatur. Inga formar krävs och utgångsmaterialen är florsocker och nickelpulver.

"Denna enkla och effektiva metod tar bort behovet av både kallpressformar och högtemperatur CVD-behandling, "sa medledarförfattaren Junwei Sha, en tidigare student i Tour's lab som nu är postdoktoral forskare vid Tianjin. "Vi borde också kunna använda denna process för att producera specifika typer av grafenskum som 3D-tryckt armeringsgrafen samt både kväve- och svaveldopat grafenskum genom att byta ut föregångarpulvren."

Tredimensionella laserskrivare fungerar annorlunda än de mer kända extruderingsbaserade 3D-skrivarna, som skapar föremål genom att pressa smält plast genom en nål när de spårar tvådimensionella mönster. Vid 3D-lasersintring, en laser lyser ner på en platt bädd av pulver. Varhelst lasern vidrör pulver, det smälter eller sintrar pulvret till en fast form. Lasern är rasterad, eller flyttade fram och tillbaka, rad för rad för att skapa en enda tvådimensionell skiva av ett större objekt. Därefter läggs ett nytt pulverlager över toppen av det lagret och processen upprepas för att bygga upp tredimensionella objekt från successiva tvådimensionella lager.

Den nya risprocessen använde en kommersiellt tillgänglig CO2 -laser. När denna laser lyste på sockret och nickelpulvret, sockret smältes och nickeln fungerade som en katalysator. Grafen bildades när blandningen svalnade efter att lasern hade gått vidare för att smälta socker på nästa plats, och Sha och kollegor genomförde en uttömmande studie för att hitta den optimala tiden och lasereffekten för att maximera grafenproduktionen.

Skummet som skapas genom processen har en låg densitet, 3D-form av grafen med stora porer som står för mer än 99 procent av dess volym.

"3D-grafenskum som framställts enligt vår metod visar lovande för applikationer som kräver snabb prototypning och tillverkning av 3D-kolmaterial, inklusive energilagring, dämpning och ljudabsorption, "sa medförfattaren Yilun Li, en doktorand på Rice.