科學家研發(fā)最密集的3D打印結(jié)構(gòu)－－石墨烯氣凝膠

      據(jù)了解，由法羅大學、堪薩斯州立大學和中國蘭州大學的三位研究員開發(fā)的3D打印石墨烯氣凝膠被吉尼斯世界紀錄評為“最密集的3D打印結(jié)構(gòu)”。3D打印石墨烯氣凝膠重量極輕，每立方厘米僅重0.5毫克，放在棉花或花瓣頂都可以，可以制造出就有復雜微觀結(jié)構(gòu)的超輕石墨烯氣凝膠。研究人員們希望這一新技術(shù)能夠為此類材料開辟新的用途。
      所謂的氣凝膠，是一種具有海綿狀結(jié)構(gòu)的低密度材料。它可以用于很多重要的用途，比如作為熱和光的絕緣體等。而研究人員們尤為感興趣的是石墨烯與氣凝膠相結(jié)合所獲得的一些特別的屬性，比如高壓縮性、高電導率和一直被熱捧的在制造可能的減震結(jié)構(gòu)、固態(tài)電池和催化劑等方面的用途。
 　  盡管很多人將3D打印技術(shù)看作使用石墨烯氣凝膠材料制造復雜結(jié)構(gòu)來用于上述應用的一個很有前途的方法。但是實際做起來遠非那么簡單。“為了能夠進行3D打印你需要首先改變石墨烯的粘度，因為它是真的很高?！毖邪l(fā)人員表示。由于機械強度超過鋼，導電性和導熱性以及不尋常的磁性，全球石墨烯市場自2010年以來一直在蓬勃發(fā)展。適合作為電子設(shè)備電源選材，以及智能穿戴式和柔性LED屏幕等未來技術(shù)。目前面對的挑戰(zhàn)是難以大規(guī)模生產(chǎn)，并保留其特性。
傳統(tǒng)上，要打印石墨烯氣凝膠結(jié)構(gòu)，研究人員傾向于先將石墨烯與聚合物或者硅混合在一起，然后使用噴墨打印機在室溫或者高溫下擠出這些石墨烯混合物。隨后，通過燃燒或者化學過程來去除聚合物或硅，但是這樣可能會損壞氣凝膠的結(jié)構(gòu)。另外這種層疊式的打印技術(shù)很難制造出像懸浮物那樣的復雜結(jié)構(gòu)。由于其分層結(jié)構(gòu)，3D打印氣凝膠也往往會導致材料的物理性能更差。
      研究人員使用具有兩個噴嘴的改進型噴墨打印機來3D打印石墨烯氣凝膠。將氧化石墨烯和水混合的3D打印液滴放進-20℃的冰箱中，得到由石墨烯和水組成的3D冰結(jié)構(gòu)，使石墨烯保持形狀。在3D打印結(jié)構(gòu)之后，研究人員將3D材料放置在冷凍干燥器中，通過高真空和低溫去除冰。留下3D石墨烯氣凝膠，室溫下也能保持形狀不變。
其中一位研究人員表示，石墨烯是一種革命性的材料，其氣凝膠形式也極為重要。通過這種3D打印方法，可以控制石墨烯氣凝膠的形狀，理想情況下還可以控制氣凝膠的電氣和機械性能。極輕巧的3D打印石墨烯氣凝膠可用于制造柔性電池，半導體，甚至建筑物絕緣，未來應用將更為廣泛。
 　  他們將石墨烯氧化物與水混合在一起，然后再零下25攝氏度的溫度下將其3D打印到一個表面上。這樣每打印出來的一層都會被冰凍住，然后在冰的支持下再打印下一層。而且，他們發(fā)現(xiàn)當沉積這些石墨烯氧化懸浮物到冷凍結(jié)構(gòu)上時，未凍的材料會解凍已經(jīng)結(jié)冰的表面，從而造成層與層之間自由混合并重新結(jié)冰，形成了氫鍵和并改善了氣凝膠結(jié)構(gòu)的完整性。另外通過使用第二個注滿純水的3D打印機噴嘴，他們也可以創(chuàng)建復雜結(jié)構(gòu)，因為水形成了冰支撐，在此基礎(chǔ)上他們就能層積石墨烯氧化懸浮物。最后，將產(chǎn)生的氣凝膠至于液氮中進行冷凍干燥以去除水分，然后加熱使其成為氣凝膠。根據(jù)這種技術(shù)，研究者們能夠創(chuàng)建出密度范圍在0.5到10毫克每立方厘米的氣凝膠，而且其具有良好的導電性和高壓縮性。如今，研究人員希望能夠進一步研究他們的多噴嘴方法是否可以使用多種材料創(chuàng)建氣凝膠結(jié)構(gòu)。