Naukowcy opracowują nowy proces drukowania trójwymiarowego, drukując jeden z najsilniejszych materiałów na Ziemi

Future My Love - Édition du Centenaire de Jacque Fresco (Vost Fr à venir) (Lipiec 2019).

Anonim

Naukowcy z Virginia Tech i Lawrence Livermore National Laboratory opracowali nowatorski sposób drukowania złożonych obiektów trójwymiarowych jednego z najbardziej wydajnych materiałów stosowanych w przemyśle akumulatorowym i lotniczym.

Wcześniej naukowcy mogli drukować tylko ten materiał, zwany grafenem, w arkuszach 2D lub podstawowych strukturach. Ale inżynierowie z Virginia Tech współpracowali teraz nad projektem, który pozwala drukowanym obiektom grafenowym trójwymiarowym o rozdzielczości o rząd wielkości większej niż kiedykolwiek przed wydrukiem, co odblokowuje możliwość teoretycznego tworzenia dowolnego rozmiaru lub kształtu grafenu.

Ze względu na swoją siłę - grafen jest jednym z najsilniejszych materiałów kiedykolwiek testowanych na Ziemi - i jego wysokiej przewodności cieplnej i elektrycznej, trójwymiarowe obiekty grafenu drukowane byłyby bardzo pożądane w niektórych branżach, w tym bateriach, lotnictwie, separacji, zarządzaniu ciepłem, czujnikach i kataliza.

Grafen to pojedyncza warstwa atomów węgla ułożona w sześciokątną kratownicę. Gdy arkusze grafenu są starannie ułożone jeden na drugim i uformowane w trójwymiarowy kształt, staje się grafitem, powszechnie znanym jako "ołów" w ołówkach.

Ponieważ grafit jest po prostu spakowanym grafenem, ma dość słabe właściwości mechaniczne. Ale jeśli arkusze grafenu są oddzielone porami wypełnionymi powietrzem, trójwymiarowa struktura może zachować swoje właściwości. Ta porowata struktura grafenowa nazywana jest aerożelem grafenowym.

"Teraz projektant może zaprojektować trójwymiarową topologię złożoną ze wzajemnie połączonych arkuszy grafenowych", powiedział Xiaoyu "Rayne" Zheng, adiunkt z wydziału inżynierii mechanicznej w College of Engineering i dyrektorem Advanced Manufacturing and Metamaterials Lab. "Ta nowa konstrukcja i swoboda produkcyjna doprowadzą do optymalizacji wytrzymałości, przewodnictwa, transportu masy, wytrzymałości i gęstości ciężaru, których nie można uzyskać w aerogelach grafenowych".

Zheng, również członek afiliowanego wydziału Instytutu Innowacji Macromolecules, otrzymał granty na badania materiałów w skali nano i skalowanie ich do lekkich i funkcjonalnych materiałów do zastosowań w lotnictwie, samochodach i akumulatorach.

Wcześniej naukowcy mogli drukować grafen za pomocą procesu wytłaczania, podobnie jak wyciskanie pasty do zębów, ale technika ta mogła tworzyć tylko proste obiekty, które ułożyły się na sobie.

"Dzięki tej technice istnieją bardzo ograniczone struktury, które można tworzyć, ponieważ nie ma wsparcia, a rozdzielczość jest dość ograniczona, więc nie można uzyskać dowolnych współczynników", powiedział Zheng. "To, co zrobiliśmy, to sprawić, że te warstwy grafenu zostaną zaaranżowane w dowolny kształt o wysokiej rozdzielczości".

Ten projekt rozpoczął się trzy lata temu, kiedy Ryan Hensleigh, główny autor artykułu, a teraz trzeci rok Macromolecular Science and Engineering Ph.D. student, rozpoczął staż w Lawrence Livermore National Laboratory w Livermore w Kalifornii. Hensleigh rozpoczął współpracę z Zhengiem, który był wówczas członkiem personelu technicznego Lawrence Livermore National Laboratory. Kiedy Zheng dołączył do wydziału w Virginia Tech w 2016 roku, Hensleigh podążył za studentem i kontynuował pracę nad tym projektem.

Aby stworzyć te złożone struktury, Hensleigh rozpoczynał od tlenku grafenu, prekursora grafenu, sieciowania arkuszy w celu utworzenia porowatego hydrożelu. Rozbijając hydrożel tlenku grafenu za pomocą ultradźwięków i dodając światłoczułe polimery akrylanowe, Hensleigh mógł wykorzystać mikro-stereolitografię projekcyjną do stworzenia pożądanej stałej struktury trójwymiarowej z tlenkiem grafenu uwięzionym w długich, sztywnych łańcuchach polimeru akrylowego. W końcu Hensleigh umieści strukturę trójwymiarową w piecu, aby wypalić polimery i połączyć obiekt, pozostawiając czysty i lekki grafofilowy aerożel.

"To znaczący przełom w porównaniu do tego, co zostało zrobione" - powiedział Hensleigh. "Możemy uzyskać dostęp do dowolnej pożądanej struktury." Kluczowym odkryciem tej pracy, opublikowanym niedawno przez współpracowników w Lawrence Livermore National Laboratory w czasopiśmie Materials Horizons, jest to, że badacze stworzyli struktury grafenu o rozdzielczości o rząd wielkości lepszej niż kiedykolwiek wydrukowano. Hensleigh powiedział, że inne procesy mogą drukować do 100 mikronów, ale nowa technika pozwala mu drukować do 10 mikronów w rozdzielczości, która zbliża się do rozmiarów rzeczywistych arkuszy grafenowych.

"Udało nam się pokazać, że potrafisz stworzyć złożoną, trójwymiarową architekturę grafenu, zachowując jednocześnie niektóre z jego podstawowych właściwości pierwotnych" - powiedział Zheng. "Zwykle, gdy próbujesz drukować trójwymiarowy grafen lub zwiększać skalę, tracisz większość swoich lukratywnych właściwości mechanicznych, które występują w pojedynczej formie arkusza".

menu
menu