Gli scienziati della Rice University hanno stratificato il grafene indotto dal laser e costruito un prototipo che modella i blocchi 3D risultanti in forme sofisticate. La schiuma offre nuove possibilità per l'accumulo di energia e applicazioni di sensori elettronici flessibili. Credito:Tour Group/Rice University
Gli scienziati della Rice University hanno sviluppato un modo semplice per produrre conduttori, oggetti tridimensionali realizzati in schiuma di grafene.
I solidi morbidi hanno l'aspetto e la sensazione di un giocattolo per bambini, ma offrono nuove possibilità per l'accumulo di energia e applicazioni flessibili di sensori elettronici, secondo il chimico della Rice James Tour.
La tecnica dettagliata in Materiale avanzato è un'estensione del lavoro innovativo del laboratorio Tour che ha prodotto il primo grafene indotto da laser (LIG) nel 2014 riscaldando fogli di plastica di poliimmide economici con un laser.
Il laser brucia a metà della plastica e trasforma la parte superiore in scaglie interconnesse di carbonio 2-D che rimangono attaccate alla metà inferiore. Il LIG può essere realizzato in modelli macroscala a temperatura ambiente.
Il laboratorio ha esteso la sua tecnica per creare LIG su legno e persino cibo, ma gli oggetti 3-D di puro grafene erano meno pratici fino ad ora, Tour ha detto.
"Ora abbiamo costruito un prototipo di macchina che ci consente di trasformare la schiuma di grafene in oggetti 3D attraverso la successiva stratificazione automatizzata e l'esposizione laser, " Ha detto Tour. "Questo porta davvero il grafene nella terza dimensione senza forni o la necessità di catalizzatori metallici, e il nostro processo è facilmente scalabile."
Gli scienziati della Rice University stanno producendo schiuma di grafene indotta da laser (LIG) 3D attraverso un processo automatizzato che inizia trasformando lo strato superiore di un foglio di poliimmide (PI) in grafene (in alto), impilando un altro strato in alto (al centro) con glicole etilenico (EG) come legante e quindi bruciando anche il PI dello strato superiore in grafene (in basso). Il processo viene ripetuto se necessario per costruire un blocco 3D che può essere modellato. Credito:Tour Group/Rice University
Il nuovo metodo si basa sulla produzione di oggetti laminati, in cui gli strati di un materiale vengono assemblati e poi tagliati a forma. In questo caso, lo strato di LIG inferiore rimane attaccato alla sua base di poliimmide. Un secondo strato è rivestito con glicole etilenico e posto a faccia in giù sul primo, come un panino alla gelatina. La sua parte superiore in poliimmide viene quindi bruciata in grafene; il processo viene ripetuto fino al completamento del blocco.
Il legante del glicole etilenico viene evaporato su una piastra calda, e l'eventuale poliimmide rimanente può essere rimossa in un forno. Che lascia un incontaminato, blocco di carbonio spugnoso, disse Duy Xuan Luong, uno studente laureato Rice e co-autore del documento. Il laboratorio Rice ha impilato fino a cinque strati di schiuma e poi ha utilizzato un sistema laser in fibra su misura su una stampante 3D modificata per fresare il blocco in forme complesse.
Il laboratorio ha assemblato condensatori agli ioni di litio proof-of-concept che hanno utilizzato 3-D LIG sia come anodi che come catodi. La capacità gravimetrica dell'anodo di 354 milliampere ora per grammo si è avvicinata al limite teorico della grafite, mentre la capacità del catodo ha superato la capacità media di altri materiali di carbonio. Le celle di prova complete hanno mantenuto circa il 70% della loro capacità dopo 970 cicli di carica-scarica.
Lo studente laureato della Rice University Duy Xuan Luong sospende un blocco tridimensionale di grafene indotto dal laser in cima a due salici. Il laboratorio utilizza un laser industriale per trasformare la plastica poliimmidica economica in schiuma di grafene a temperatura ambiente, e poi lega i fogli per produrre leggeri, grafene 3-D conduttivo. Credito:Rice University
"Si tratta di prestazioni eccellenti in questi condensatori agli ioni di litio di nuova generazione, che catturano le migliori proprietà delle batterie agli ioni di litio e dei condensatori ibridi, " Disse Giro.
I ricercatori hanno quindi infuso un blocco di LIG 3-D con polidimetilsilossano liquido attraverso i suoi pori da 20 a 30 nanometri. Questo ha creato un più forte, ancora flessibile, materiale conduttivo senza modificare la forma della schiuma originale. Da questo materiale, hanno realizzato un sensore flessibile che ha registrato con precisione il polso dal polso di un volontario e ha affermato che un'ulteriore calibrazione del dispositivo avrebbe consentito loro di estrarre la pressione sanguigna dalla forma d'onda del polso.
