Forskare från Virginia Tech och Lawrence Livermore National Laboratory har utvecklat ett nytt sätt att 3D-skriva ut komplexa objekt av ett av de högpresterande materialen som används i batteri- och rymdindustrin.

Tidigare, forskare kunde bara skriva ut detta material, känd som grafen, i 2-D-ark eller grundläggande strukturer. Men Virginia Tech-ingenjörer har nu samarbetat på ett projekt som gör det möjligt för dem att skriva ut 3D-grafenobjekt i en upplösning som är större än någonsin tidigare, vilket låser upp möjligheten att teoretiskt skapa vilken storlek eller form som helst av grafen.

På grund av dess styrka - grafen är ett av de starkaste materialen som någonsin testats på jorden - och dess höga värme- och elektricitetsledningsförmåga, 3D-tryckta grafenobjekt skulle vara mycket eftertraktade i vissa branscher, inklusive batterier, flyg, separation, värmehantering, sensorer, och katalys.

Grafen är ett enda lager av kolatomer organiserade i ett sexkantigt galler. När grafenark staplas snyggt ovanpå varandra och formas till en tredimensionell form, det blir grafit, allmänt känd som "bly" i pennor.

Eftersom grafit helt enkelt är packat ihop grafen, den har ganska dåliga mekaniska egenskaper. Men om grafenarken separeras med luftfyllda porer, den tredimensionella strukturen kan behålla sina egenskaper. Denna porösa grafenstruktur kallas en grafen -aerogel.

"Nu kan en designer designa tredimensionell topologi som består av sammankopplade grafenark, "sa Xiaoyu" Rayne "Zheng, biträdande professor vid Institutionen för maskinteknik vid tekniska högskolan och chef för Advanced Manufacturing and Metamaterials Lab. "Denna nya design- och tillverkningsfrihet kommer att leda till optimering av styrka, ledningsförmåga, masstransport, styrka, och viktdensitet som inte kan uppnås i grafen aerogeler. "

Zheng, också en ansluten fakultetsmedlem i Macromolecules Innovation Institute, har fått bidrag för att studera nanoskala material och skala upp dem till lätta och funktionella material för applikationer inom rymd, bilar, och batterier.

Tidigare, forskare kan skriva ut grafen med hjälp av en extruderingsprocess, ungefär som att pressa tandkräm, men den tekniken kunde bara skapa enkla objekt som staplades ovanpå sig själv.

"Med den tekniken, det finns mycket begränsade strukturer du kan skapa eftersom det inte finns något stöd och upplösningen är ganska begränsad, så du kan inte få freeform -faktorer, "Zheng sa." Det vi gjorde var att få dessa grafenlager att arkitekteras till vilken form du vill med hög upplösning. "

Detta projekt började för tre år sedan när Ryan Hensleigh, huvudförfattare till artikeln och nu ett tredje års makromolekylär vetenskap och teknik Ph.D. studerande, började en praktik på Lawrence Livermore National Laboratory i Livermore, Kalifornien. Hensleigh började arbeta med Zheng, som då var medlem av den tekniska personalen vid Lawrence Livermore National Laboratory. När Zheng började på fakulteten vid Virginia Tech 2016, Hensleigh följde som student och fortsatte arbeta med detta projekt.

För att skapa dessa komplexa strukturer, Hensleigh började med grafenoxid, en föregångare till grafen, tvärbinda arken för att bilda en porös hydrogel. Bryta grafenoxidhydrogeln med ultraljud och tillsätta ljuskänsliga akrylatpolymerer, Hensleigh kan använda mikro-stereolitografi för projektion för att skapa den önskade fasta 3D-strukturen med grafenoxiden instängd i det långa, styva kedjor av akrylatpolymer. Till sist, Hensleigh skulle placera 3D-strukturen i en ugn för att bränna av polymererna och smälta ihop objektet, lämnar efter sig en ren och lätt grafen -aerogel.

"Det är ett betydande genombrott jämfört med vad som har gjorts, "Hensleigh sa." Vi kan få tillgång till i stort sett vilken struktur som helst du vill ha. "Det viktigaste resultatet av detta arbete, som nyligen publicerades med medarbetare vid Lawrence Livermore National Laboratory i tidskriften Material Horizons , är att forskarna skapade grafenstrukturer med en upplösning i storleksordningen finare än någonsin tryckt. Hensleigh sa att andra processer kan skriva ut till 100 mikron, men den nya tekniken gör att han kan skriva upp till 10 mikron i upplösning, som närmar sig storleken på de faktiska grafenarken.

"Vi har kunnat visa att du kan göra ett komplext, tredimensionell arkitektur av grafen och samtidigt behålla några av dess inneboende primära egenskaper, "Zheng sa." Vanligtvis när du försöker 3D-skriva ut grafen eller skala upp, du förlorar de flesta av deras lukrativa mekaniska egenskaper som finns i dess enkla arkform. "