I ricercatori del Virginia Tech e del Lawrence Livermore National Laboratory hanno sviluppato un nuovo modo per stampare in 3D oggetti complessi di uno dei materiali più performanti utilizzati nelle industrie delle batterie e aerospaziale.

In precedenza, i ricercatori hanno potuto stampare solo questo materiale, noto come grafene, in fogli 2D o strutture di base. Ma gli ingegneri della Virginia Tech hanno ora collaborato a un progetto che consente loro di stampare oggetti in grafene in 3D con una risoluzione di un ordine di grandezza maggiore di quella mai stampata prima. che sblocca la capacità di creare teoricamente qualsiasi dimensione o forma di grafene.

A causa della sua forza, il grafene è uno dei materiali più resistenti mai testati sulla Terra, e della sua elevata conduttività termica ed elettrica, Gli oggetti di grafene stampati in 3D sarebbero molto ambiti in alcuni settori, comprese le batterie, aerospaziale, separazione, gestione del calore, sensori, e catalisi.

Il grafene è un singolo strato di atomi di carbonio organizzati in un reticolo esagonale. Quando i fogli di grafene sono ordinatamente impilati uno sopra l'altro e formati in una forma tridimensionale, diventa grafite, comunemente noto come "mina" nelle matite.

Poiché la grafite è semplicemente grafene confezionato insieme, ha proprietà meccaniche piuttosto scadenti. Ma se i fogli di grafene sono separati con pori pieni d'aria, la struttura tridimensionale può mantenere le sue proprietà. Questa struttura porosa del grafene è chiamata aerogel di grafene.

"Ora un designer può progettare una topologia tridimensionale composta da fogli di grafene interconnessi, " disse Xiaoyu "Rayne" Zheng, professore assistente presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del College of Engineering e direttore dell'Advanced Manufacturing and Metamaterials Lab. "Questa nuova libertà di progettazione e produzione porterà all'ottimizzazione della forza, conducibilità, trasporto di massa, forza, e densità di peso che non sono ottenibili negli aerogel di grafene."

Zheng, anche un membro di facoltà affiliato del Macromolecules Innovation Institute, ha ricevuto sovvenzioni per studiare materiali su scala nanometrica e scalarli fino a materiali leggeri e funzionali per applicazioni nel settore aerospaziale, automobili, e batterie.

In precedenza, i ricercatori potrebbero stampare il grafene utilizzando un processo di estrusione, un po' come spremere il dentifricio, ma quella tecnica poteva solo creare oggetti semplici che si impilavano su se stessa.

"Con quella tecnica, ci sono strutture molto limitate che puoi creare perché non c'è supporto e la risoluzione è piuttosto limitata, quindi non puoi ottenere fattori di forma libera, " Ha detto Zheng. "Quello che abbiamo fatto è stato ottenere questi strati di grafene per essere architettati in qualsiasi forma tu voglia con alta risoluzione".

Questo progetto è iniziato tre anni fa quando Ryan Hensleigh, autore principale dell'articolo e ora dottore di ricerca in Scienze e Ingegneria Macromolecolare al terzo anno. alunno, ha iniziato uno stage presso il Lawrence Livermore National Laboratory di Livermore, California. Hensleigh ha iniziato a lavorare con Zheng, che era allora membro dello staff tecnico del Lawrence Livermore National Laboratory. Quando Zheng è entrato a far parte della facoltà della Virginia Tech nel 2016, Hensleigh ha seguito come studente e ha continuato a lavorare su questo progetto.

Per creare queste strutture complesse, Hensleigh ha iniziato con l'ossido di grafene, un precursore del grafene, reticolazione dei fogli per formare un idrogel poroso. Rompendo l'idrogel di ossido di grafene con gli ultrasuoni e aggiungendo polimeri di acrilato sensibili alla luce, Hensleigh potrebbe utilizzare la microstereolitografia a proiezione per creare la struttura 3D solida desiderata con l'ossido di grafene intrappolato nel lungo, catene rigide di polimero acrilato. Finalmente, Hensleigh collocherebbe la struttura 3-D in una fornace per bruciare i polimeri e fondere insieme l'oggetto, lasciando dietro di sé un aerogel di grafene puro e leggero.

"È una svolta significativa rispetto a quanto è stato fatto, "Hensleigh ha detto. "Possiamo accedere praticamente a qualsiasi struttura desiderata che desideri." La scoperta chiave di questo lavoro, che è stato recentemente pubblicato con i collaboratori del Lawrence Livermore National Laboratory sulla rivista Orizzonti di materiali , è che i ricercatori hanno creato strutture di grafene con una risoluzione di un ordine di grandezza più fine di quella mai stampata. Hensleigh ha affermato che altri processi potrebbero stampare fino a 100 micron, ma la nuova tecnica gli permette di stampare fino a 10 micron di risoluzione, che si avvicina alle dimensioni dei fogli di grafene effettivi.

"Siamo stati in grado di dimostrare che puoi creare un complesso, architettura tridimensionale del grafene pur conservando alcune delle sue proprietà intrinseche primarie, " Ha detto Zheng. "Di solito quando si tenta di stampare in 3D il grafene o di ridimensionarlo, perdi la maggior parte delle loro proprietà meccaniche redditizie che si trovano nella sua forma a foglio singolo."