Rice University forskare har lagrat laserinducerad grafen och byggt en prototyp som formar de resulterande 3D-blocken till sofistikerade former. Skummet erbjuder nya möjligheter för energilagring och flexibla elektroniska sensorapplikationer. Kredit:Tour Group/Rice University
Rice University-forskare har utvecklat ett enkelt sätt att producera ledande, tredimensionella föremål gjorda av grafenskum.
De squishy fasta partiklarna ser ut och känns ungefär som en barnleksak men erbjuder nya möjligheter för energilagring och flexibla elektroniska sensorapplikationer, enligt Rice kemisten James Tour.
Tekniken som beskrivs i detalj Avancerade material är en förlängning av banbrytande arbete av Tour-labbet som producerade den första laserinducerade grafenen (LIG) 2014 genom att värma upp billiga polyimidplastskivor med en laser.
Lasern brinner halvvägs genom plasten och förvandlar toppen till sammankopplade flingor av 2-D kol som förblir fästa på den nedre halvan. LIG kan göras i makroskala mönster vid rumstemperatur.
Labbet utökade sin teknik för att skapa LIG på trä och till och med mat, men 3D-objekt av ren grafen var mindre praktiska tills nu, sa Tour.
"Nu har vi byggt en prototypmaskin som låter oss göra grafenskum till 3D-objekt genom automatiserad successiv lagerläggning och laserexponering, "Tour sa." Detta tar verkligen grafen in i den tredje dimensionen utan ugnar eller behov av metallkatalysatorer, och vår process är lätt att skala. "
Rice Universitys forskare tillverkar 3D laserinducerat grafen (LIG) skum genom en automatiserad process som börjar med att förvandla det översta lagret av ett polyimid (PI) ark till grafen (överst), stapla ytterligare ett lager ovanpå (mitten) med etylenglykol (EG) som bindemedel och sedan bränna det översta lagrets PI till grafen också (nederst). Processen upprepas vid behov för att bygga upp ett 3D-block som kan formas. Kredit:Tour Group/Rice University
Den nya metoden är baserad på tillverkning av laminerade föremål, i vilka lager av ett material monteras och sedan skärs till form. I detta fall, det nedre LIG -lagret förblir fäst vid dess polyimidbas. Ett andra lager beläggs med etylenglykol och placeras med framsidan nedåt på det första, som en gelémacka. Dess polyimidöverdel bränns sedan till grafen; processen upprepas tills blockeringen är klar.
Etylenglykolbindemedlet förångas på en varm platta, och eventuell kvarvarande polyimid kan avlägsnas i en ugn. Det lämnar en orörd, svampigt kolblock, sa Duy Xuan Luong, en Rice-student och medförfattare till tidningen. Rislabbet staplade upp till fem lager skum och använde sedan ett specialbyggt fiberlasersystem på en modifierad 3D-skrivare för att fräsa blocket till komplexa former.
Labbet monterade proof-of-concept litiumjonkondensatorer som använde 3-D LIG som både anoder och katoder. Anodens gravimetriska kapacitet på 354 milliamp timmar per gram närmade sig den teoretiska gränsen för grafit, medan katodens kapacitet översteg medelkapaciteten för andra kolmaterial. Fullständiga testceller behöll cirka 70 procent av sin kapacitet efter 970 laddnings-urladdningscykler.
Rice University doktorand Duy Xuan Luong hänger upp ett tredimensionellt block av laserinducerad grafen ovanpå två pilar. Labbet använder en industriell laser för att omvandla billig polyimidplast till grafenskum vid rumstemperatur, och binder sedan arken för att producera lätta, ledande 3D-grafen. Kredit:Rice University
"Detta är utmärkt prestanda i dessa nya generationens litiumjonkondensatorer, som fångar de bästa egenskaperna hos litiumjonbatterier och kondensatorhybrider, " sa Tour.
Forskarna infunderade sedan ett block av 3-D LIG med flytande polydimetylsiloxan genom dess 20 till 30 nanometer porer. Detta skapade en starkare, fortfarande flexibel, ledande material utan att ändra originalskummets form. Från detta material, de gjorde en flexibel sensor som noggrant registrerade pulsen från en volontärs handled och sa att ytterligare kalibrering av enheten skulle låta dem extrahera blodtrycket från pulsvågformen.
