Hoe 3D-printen, lasers en suiker samen de productie van grafeen op industriële schaal vormen

Anonim

Hoe 3D-printen, lasers en suiker samen de productie van grafeen op industriële schaal vormen

materialen

Michael Irving

23 juni, 2017

2 afbeeldingen

3D-geprint grafeenschuim, gezien door een scanning elektronenmicroscoop (links) en transmissie-elektronenmicroscoop (rechts) (Credit: Yilun Li / Rice University)

Het op koolstof gebaseerde wondermateriaal grafeen begint de sprong te maken van twee dimensies naar drie. In februari creëerden onderzoekers van de Rice University 3D grafeenschuim ondersteund door koolstofnanobuisjes, maar het was moeilijk om te maken. Nu heeft het team een ​​manier ontwikkeld om het materiaal in 3D te printen.

Grafeen staat klaar om elektronica, batterijen, medicijnen, waterfilters en in feite alles te verbeteren dat baat kan hebben bij lichter, sterker of een betere geleider van warmte en elektriciteit. Maar voordat het echt op deze problemen kan worden toegepast, moet het worden omgezet van een 2D-vel naar een 3D-vorm - en daarin ligt het probleem. De inspanningen tot nu toe hebben een materiaal opgeleverd dat niet zo effectief is als zijn tweedimensionale tegenhanger.

Maar dingen verbeteren. In januari schetste een MIT-team een ​​manier om mogelijk een spongey-maar-sterke 3D-grafeen te maken, en de Rice-onderzoekers volgden met hun "rebar graphene ", versterkt met koolstofnanobuizen die het materiaal toestaan ​​om 3000 keer zijn eigen gewicht te ondersteunen .

Maar net zo effectief als de betonstaal van grafeen, waardoor het nog steeds een ingewikkeld en kostbaar proces is met chemische dampafzetting (CVD), dat alleen met behulp van gespecialiseerde apparatuur bij zeer hoge temperaturen kan worden uitgevoerd.

In plaats daarvan gebruikt deze nieuwe techniek een 3D-laserprinter. In plaats van vloeibare kunststoffen of andere bouwmaterialen door een spuitmond te spuiten, smelten de 3D-printers lagen van poedermetaal samen met behulp van een laserstraal. Laag voor laag kan een voorwerp effectief in het metaalpoeder worden getrokken.

Het poeder was in dit geval een combinatie van nikkel en suiker. Wanneer de laserstraal het mengsel treft, ontleedt de suiker met behulp van de nikkelkatalysator in koolstof voordat deze afkoelt tot grafeen. Het eindresultaat is een blok grafeenschuim met een lage dichtheid en vingertopgrootte.

"Deze eenvoudige en efficiënte methode elimineert de noodzaak van zowel cold-press mallen als HVZ-behandeling met hoge temperaturen, " zegt Junwei Sha, co-lead auteur van de studie. "We moeten dit proces ook kunnen gebruiken om specifieke soorten grafeenschuim te produceren, zoals driedimensionaal gedrukt wapeningsgrafeen en zowel stikstof- als zwavelgeïmd grafeenschuim door de precursorpoeders te vervangen. "

Het team hoopt dat het gemakkelijker zal worden om grafeen op grote schaal te produceren, wat de toegang tot industriële toepassingen zal versnellen.

Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

Bron: Rice University

Het 3D-grafeenschuim van het Rice-team is gemaakt door een laserstraal te schijnen op een poederachtige mix van suiker en nikkel (Credit: Tour Group / Rice University)

3D-geprint grafeenschuim, gezien door een scanning elektronenmicroscoop (links) en transmissie-elektronenmicroscoop (rechts) (Credit: Yilun Li / Rice University)