来自弗吉尼亚理工大学和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员开发了一种用石墨烯3D打印复杂物体的新方法，石墨烯通常用于电池和航空航天工业。
此前，研究人员只能打印2D薄片或基本结构的石墨烯。但弗吉尼亚理工大学的工程师们现在合作开展了一个项目，使他们能够以比以前更高数量级的分辨率3D打印石墨烯物体，从而解锁了理论上创造任何大小或形状的石墨烯的能力。
由于其强度——石墨烯是地球上测试过的最强材料之一——以及高导热性和高导电性，3D打印的石墨烯物体将在某些行业受到青睐，包括电池、航空航天、分离、热管理、传感器和催化。
石墨烯是碳原子组成的单层六角形晶格。当石墨烯片整齐地堆叠在一起并形成三维形状时，它就变成了石墨，也就是铅笔中的“铅”。
因为石墨是简单地封装在一起的石墨烯，所以它的机械性能相当差。但如果用充满空气的孔隙将石墨烯片分开，其三维结构就能保持其特性。这种多孔石墨烯结构被称为石墨烯气凝胶。
放大了草莓花上的石墨烯八聚体桁架
“现在设计师可以设计由相互连接的石墨烯片组成的三维拓扑结构，”工程学院机械工程系助理教授、先进制造与超材料实验室主任郑晓宇(音译)说。这种新的设计和制造自由度将有助于优化强度、导电性、质量传输和重量密度。”
郑也是大分子创新研究所的一名附属教员，他获得了研究纳米级材料的拨款，并将其放大为轻量化和功能材料，应用于航空航天、汽车和电池。
放大扫描电子显微镜图片的石墨烯八聚体桁架在1微米的分辨率。
此前，研究人员可以使用挤压工艺打印石墨烯，但这种技术只能创造出简单的物体叠加在自身之上。
放大扫描电子显微镜图片的石墨烯八聚体桁架在10微米的分辨率。
“用这种技术，你能创造的结构是有限的，因为没有支撑，分辨率也有限，所以你不能获得自由的因素，”郑说。“我们所做的是让这些石墨烯层以高分辨率构建成任何你想要的形状。”
这个项目始于三年前，当时这篇文章的第一作者Ryan Hensleigh开始在加州利弗莫尔的劳伦斯利弗莫尔国家实验室实习，他现在是一名大分子科学与工程博士生。亨斯莱开始与郑合作，郑当时是劳伦斯利弗莫尔国家实验室的一名技术人员。郑于2016年加入弗吉尼亚理工学院，亨斯莱作为学生跟随并继续从事这个项目。
为了制造这些复杂的结构，Hensleigh从氧化石墨烯(石墨烯的前体)开始，将薄片交联形成多孔水凝胶。用超声波打破氧化石墨烯水凝胶，加入光敏丙烯酸酯聚合物，Hensleigh可以使用投影显微立体光刻术，将氧化石墨烯困在丙烯酸酯聚合物的长而硬的链中，创造出所需的固体三维结构。最后，Hensleigh将把3D结构放在熔炉中燃烧掉聚合物，并将物体融合在一起，留下一个纯而轻的石墨烯气凝胶。
亨斯莱说:“与已经取得的成果相比，这是一个重大突破。”“我们几乎可以访问任何你想要的结构。”
这项研究最近与劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)的合作者发表在《材料视野》(Materials Horizons)杂志上，其关键发现是，研究人员创造出的石墨烯结构的分辨率比以往印刷的分辨率高一个数量级。Hensleigh说，其他的工艺可以打印到100微米，但新技术允许他打印到10微米的分辨率，这接近实际石墨烯片的大小。
郑说:“我们已经能够证明，你可以在保留石墨烯一些固有的主要特性的同时，制造出复杂的三维结构。”“通常情况下，当你试图3D打印石墨烯或放大其尺寸时，你会失去其单薄片形式中大部分有利可图的机械性能。”
共同作者包括郑氏实验室的博士生崔华晨，以及劳伦斯利弗莫尔国家实验室的六人——詹姆斯·奥克代尔、叶建超、帕特里克·坎贝尔、埃里克·杜斯、克里斯托弗·斯帕达奇尼和马库斯·沃斯利。郑和亨斯利是由空军青年研究者奖(杰米S. Tiley博士)和国家科学基金会(CMMI 1727492)资助的。
弗吉尼亚理工大学
vt.edu
了下:3D打印•增材制造•立体光刻
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