La sinterizzazione laser è stata utilizzata per stampare oggetti 3D in schiuma di grafene, una versione 3-D del grafene atomicamente sottile. A sinistra c'è una foto di un cubo di schiuma di grafene delle dimensioni di un dito; a destra è un primo piano del materiale visto con un microscopio elettronico a scansione. Credito:Tour Group/Rice University
I nanotecnologi della Rice University e dell'Università cinese di Tianjin hanno utilizzato la stampa laser 3D per fabbricare oggetti di dimensioni centimetriche di grafene atomicamente sottile.
La ricerca potrebbe produrre quantità industrialmente utili di grafene sfuso ed è descritta online in un nuovo studio sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano .
"Questo studio è il primo del suo genere, " ha detto il chimico della Rice James Tour, autore corrispondente dell'articolo. "Abbiamo mostrato come realizzare schiume di grafene 3-D da materiali di partenza non grafene, e il metodo si presta ad essere adattato alle schiume di grafene per applicazioni di produzione additiva con controllo della dimensione dei pori".
Grafene, uno dei nanomateriali più studiati del decennio, è una lastra bidimensionale di puro carbonio, ultraresistente e conduttivo. Gli scienziati sperano di utilizzare il grafene per qualsiasi cosa, dalla nanoelettronica ai dispositivi antighiaccio per aerei, alle batterie e agli impianti ossei. Ma la maggior parte delle applicazioni industriali richiederebbe grandi quantità di grafene in forma tridimensionale, e gli scienziati hanno faticato a trovare modi semplici per creare grafene 3-D sfuso.
Per esempio, i ricercatori nel laboratorio di Tour hanno iniziato a usare i laser, zucchero a velo e nichel per produrre schiuma di grafene 3-D alla fine del 2016. All'inizio di quest'anno hanno dimostrato di poter rinforzare la schiuma con nanotubi di carbonio, che ha prodotto un materiale che hanno soprannominato "grafene per armature" che potrebbe mantenere la sua forma pur sostenendo 3, 000 volte il proprio peso. Ma produrre grafene per armature non era un compito semplice. Richiedeva uno stampo 3D prefabbricato, un 1, Processo di deposizione chimica da vapore (CVD) a 000 gradi Celsius e quasi tre ore di riscaldamento e raffreddamento.
Gli oggetti in schiuma di grafene 3D vengono prodotti puntando un laser su una miscela di zucchero a velo e polvere di nichel. Il laser viene spostato avanti e indietro per sciogliere lo zucchero in un modello 2-D, e il nichel funge da catalizzatore per stimolare la crescita della schiuma di grafene. Il processo viene ripetuto con strati successivi di polvere per creare oggetti 3D. Credito:Tour Group/Rice University
Nell'ultimo studio, un team del laboratorio di Tour e i laboratori di Jun Luo di Rice e Naiqin Zhao di Tianjin hanno adattato una comune tecnica di stampa 3D per realizzare blocchi di schiuma di grafene delle dimensioni di un dito. Il processo viene condotto a temperatura ambiente. Non sono necessari stampi e le materie prime sono zucchero a velo e polvere di nichel.
"Questo metodo semplice ed efficiente elimina la necessità sia di stampi a spremitura a freddo che di trattamenti CVD ad alta temperatura, ", ha affermato il co-autore Junwei Sha, un ex studente nel laboratorio di Tour che ora è ricercatore post-dottorato a Tianjin. "Dovremmo anche essere in grado di utilizzare questo processo per produrre tipi specifici di schiuma di grafene come il grafene stampato in 3D e la schiuma di grafene drogata con azoto e zolfo, cambiando le polveri precursori".
Le stampanti laser 3-D funzionano in modo diverso rispetto alle più familiari stampanti 3-D basate su estrusione, che creano oggetti schiacciando la plastica fusa attraverso un ago mentre tracciano modelli bidimensionali. Nella sinterizzazione laser 3D, un laser brilla su un letto piatto di polvere. Ovunque il laser tocchi la polvere, fonde o sinterizza la polvere in una forma solida. Il laser è rasterizzato, o spostato avanti e indietro, riga per riga per creare una singola fetta bidimensionale di un oggetto più grande. Quindi un nuovo strato di polvere viene posato sopra quello strato e il processo viene ripetuto per costruire oggetti tridimensionali da successivi strati bidimensionali.
Il nuovo processo Rice ha utilizzato un laser CO2 disponibile in commercio. Quando questo laser è stato puntato sullo zucchero e sulla polvere di nichel, lo zucchero è stato fuso e il nichel ha agito da catalizzatore. Il grafene si è formato quando la miscela si è raffreddata dopo che il laser si è spostato per sciogliere lo zucchero nel punto successivo, e Sha e colleghi hanno condotto uno studio esaustivo per trovare la quantità ottimale di tempo e potenza laser per massimizzare la produzione di grafene.
La schiuma creata dal processo è a bassa densità, Forma 3D di grafene con pori dilatati che rappresentano oltre il 99 percento del suo volume.
"Le schiume di grafene 3D preparate con il nostro metodo sono promettenti per applicazioni che richiedono la prototipazione rapida e la produzione di materiali in carbonio 3D, compreso lo stoccaggio di energia, smorzamento e assorbimento acustico, ", ha detto il co-autore Yilun Li, uno studente laureato alla Rice.
