科學(xué)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(xué)、堪薩斯州立大學(xué)和中國(guó)蘭州大學(xué)的三位研究員開(kāi)發(fā)的3D打印石墨烯氣凝膠被吉尼斯世界紀(jì)錄評(píng)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(fù)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?yàn)榇祟?lèi)材料開(kāi)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(dǎo)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(fù)雜結(jié)構(gòu)來(lái)用于上述應(yīng)用的一個(gè)很有前途的方法。但是實(shí)際做起來(lái)遠(yuǎn)非那么簡(jiǎn)單。“為了能夠進(jìn)行3D打印你需要首先改變石墨烯的粘度，因?yàn)樗钦娴暮芨??！毖邪l(fā)人員表示。由于機(jī)械強(qiáng)度超過(guò)鋼，導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性以及不尋常的磁性，全球石墨烯市場(chǎng)自2010年以來(lái)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L(fǎng)ED屏幕等未來(lái)技術(shù)。目前面對(duì)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(jī)在室溫或者高溫下擠出這些石墨烯混合物。隨后，通過(guò)燃燒或者化學(xué)過(guò)程來(lái)去除聚合物或硅，但是這樣可能會(huì)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(fù)雜結(jié)構(gòu)。由于其分層結(jié)構(gòu)，3D打印氣凝膠也往往會(huì)導(dǎo)致材料的物理性能更差。
      研究人員使用具有兩個(gè)噴嘴的改進(jìn)型噴墨打印機(jī)來(lái)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(jìn)-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(guò)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(guò)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(jī)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(dǎo)體，甚至建筑物絕緣，未來(lái)應(yīng)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(gè)表面上。這樣每打印出來(lái)的一層都會(huì)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(dāng)沉積這些石墨烯氧化懸浮物到冷凍結(jié)構(gòu)上時(shí)，未凍的材料會(huì)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(guò)使用第二個(gè)注滿(mǎn)純水的3D打印機(jī)噴嘴，他們也可以創(chuàng)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗纬闪吮?，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(jìn)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(dǎo)電性和高壓縮性。如今，研究人員希望能夠進(jìn)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)。