材料

官方称,3D打印石墨烯气凝胶是世界上最轻的材料

3D打印石墨烯气凝胶被吉尼斯世界纪录认定为“密度最低的3D打印结构”。该材料由堪萨斯州立大学开发,具有超弹性、导电性和难以置信的轻质性,这意味着它可以用于提高电子物体和电池的性能。

不同密度的石墨烯气凝胶的3D打印晶格。右图:位于柳絮顶部的材料密度证明。堪萨斯州立大学多尺度先进制造实验室拍摄。
不同密度的石墨烯气凝胶的3D打印晶格。右图:位于柳絮顶部的材料密度证明。堪萨斯州立大学多尺度先进制造实验室拍摄。

更好的电池、智能穿戴设备和灵活的LED屏幕

石墨烯的机械强度超过钢材,导电性和导热性以及不同寻常的磁性,自2010年Andre Geim和Konstantin Novoselov重新发现石墨烯以来,全球石墨烯市场蓬勃发展。

这种兴趣的增长与全球对电子设备和未来技术(如太阳能)更好的电源的需求相匹配智能穿戴设备柔性LED屏幕. 石墨烯面临的挑战仍然是大规模生产,并保留使材料如此吸引人的特性。

由于3D打印作为一种制造方法所具有的灵活性,3D打印已被用于多种方式,以释放材料的潜力。

由英国政府领导的研究德克萨斯州莱斯大学的詹姆斯·M·图尔团队使用激光3D打印的方法从糖晶体中提取材料并制造石墨烯泡沫.

一个3D打印的石墨烯泡沫立方体及其分子组成的SEM图像。图像通过ACS纳米
一个3D打印的石墨烯泡沫立方体及其分子组成的SEM图像。图像通过ACS纳米/莱斯大学

麻省理工学院的研究人员对石墨烯的结构进行了数学研究,并且提出了一种陀螺面作为最佳三维形状.石墨烯氧化物也被哈尔滨工业大学用于制造与高强混凝土性能相匹配的结构。

由氧化石墨烯/地质聚合物墨水制成的3D打印测试结构。图片来源:哈尔滨工业大学钟、周、何、杨和贾。
由氧化石墨烯/地质聚合物墨水制成的3D打印测试结构。图片来源:哈尔滨工业大学钟、周、何、杨和贾。

这种重量轻、破纪录的石墨烯气凝胶是由堪萨斯州立大学、布法罗大学和兰州大学的助理教授董林、池州和张强强分别合作开发的。他们所使用的方法使喷墨3D打印进入深度冻结状态。

打破纪录的3D打印方法

林、周和张的3D石墨烯气凝胶的重量仅为每立方厘米0.5毫克。如支持介质所示,这意味着像花瓣或棉球这样的易碎物体可以支持3D打印数量的材料而不会弯曲。

董林拿着一个印刷在堪萨斯州野猫队标志上的石墨烯气凝胶3D样品。他旁边的屏幕上显示了一个躺在向日葵花瓣上的3D石墨烯气凝胶野猫头。照片通过堪萨斯州立大学拍摄。
董林拿着一个印刷在堪萨斯州野猫队标志上的石墨烯气凝胶3D样品。他旁边的屏幕上显示了一个躺在向日葵花瓣上的3D石墨烯气凝胶野猫头。照片通过堪萨斯州立大学拍摄。

石墨烯气凝胶的3D结构是使用专门开发的3D打印喷墨方法制作的。这种油墨是通过将氧化石墨烯(GO)粉末与去离子水混合而成的。它被装入两个注射器筒中,一次喷射一滴墨水。

研究人员已经将墨水打印的床和腔室调整到低温环境。当墨水沉积时,去离子水冻结,石墨烯固化成3D形状。

堪萨斯州野猫队标志第一层的延时印刷。夹通孔K-状态在YouTube上

印刷后,该结构再经历两次冷冻过程,将颗粒粘合在一起。经过48小时的干燥过程和热退火后,最终的3D气凝胶被揭开。

从深冻中取出的3D石墨烯气凝胶样品。通过YouTube上的K-State截图
从深冻中取出的3D石墨烯气凝胶样品。通过YouTube上的K-State截图

3D石墨烯气凝胶将成为2018年版的吉尼斯世界纪录。林、周、张和其他合作者张峰、赛普拉迪普·梅达拉梅特拉和李辉的支持性研究可在《小期刊》,2016年2月在线出版第12卷,第13期。

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特色图片:打破纪录的3D打印石墨烯气凝胶在展示其轻质密度时,挑战了小麦穗。堪萨斯州立大学摄

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