Ученые разработали новый путь 3D-печати сложных составных частей графена - одного из самых высокопроизводительных материалов, используемого в аккумуляторах и аэрокосмической промышленности, - пишет eurekalert.org.
Раньше исследователи могли печатать графен только в двумерных листах или базовых структурах. Но теперь у инженеров получилось создать 3D-печатные образцы графена с разрешением на порядок выше, чем когда-либо прежде, что открывает теоретическую возможность создания графена любого размера или формы.
Благодаря своей силе - графен является одним из самых крепких материалов на Земле - и его высокой тепло- и электропроводности, трехмерные печатные графеновые объекты могли бы использоваться в некоторых отраслях производства, включая разработки двигателей и аэрокосмическую промышленность.
Графен представляет собой один слой атомов углерода, организованный в гексагональную решетку. Когда графеновые листы аккуратно укладываются друг на друга и образуют трехмерную форму, он становится графитом, используемым в карандашах.
Поскольку графит – это листы графена, просто лежащие друг на друге, он имеет довольно плохие механические свойства. Но если графеновые листы разделены порами, наполненными воздухом, трехмерная структура может сохранять свои свойства. Эта пористая структура графена называется графеновым аэрогелем.
Раньше графен печатался с применением процесса экструзии, подобного прессованию зубной пасты, но эта техника не обеспечивала прочности материала и возможностей разнообразия его форм.
«С помощью этой техники можно создавать очень ограниченные структуры, потому что нет поддерживающего фактора, а также разрешение довольно низкое, в силу чего невозможно добиться произвольной формы, - сказал Чжэн. - Мы сделали так, чтобы слои графена могли конструироваться в любую форму высокого разрешения, которая вам необходима».
Чтобы создать эти сложные структуры, соавтор исследования Райан Хенсли начал с оксида графена - предшественника графена, сшивая листы с образованием пористого гидрогеля. Разрывая гидрогель с графеновым оксидом с помощью ультразвука и добавляя светочувствительные акриловые полимеры, Хенсли ипользовал проекционную микро-стереолитографию для создания желаемой твердой трехмерной структуры с оксидом графена, захваченным в длинные жесткие цепи акрилового полимера. Наконец, Хенсли помещал трехмерную структуру в печи, чтобы сжечь полимеры и сплавить части объекта вместе.
«Это значительный прорыв по сравнению с тем, как это делалось раньше, - сказал Хенсли. - Мы можем получить почти любую желаемую структуру». Ключевой вывод этой работы заключается в том, что исследователи создали графеновые структуры с разрешением на порядок выше, чем когда-либо. Хенсли сказал, что другие способы могут достигать точности в 100 микрон, но новая технология позволяет добиться 10 микрон - это близко к размерам реальных листов графена.
«Мы смогли показать, что вы можете создать сложную трехмерную архитектуру графена, сохраняя при этом некоторые из его внутренних свойств, - сказал Чжэн. – Обычно же, когда вы пользуетесь старыми методами 3D-печати графена или увеличиваете масштаб, вы теряете большую часть выгодных механических свойств одного листа графена».
[Фото: eurekalert.org]