Nowa struktura kompleksu 3D wykonanego z aerożelu grafenowego
Od dokonanego w roku 2004 odkrycia, grafen jest uważany za fenomenalny materiał a naukowcy mają względem niego wielkie oczekiwania. Materiał ten charakteryzuje się wytrzymałością 300 razy większą od wytrzymałości stali, a także jest on milion razy cieńszy od ludzkiego włosa.
Jest on również najlepszym znanym przewodnikiem elektryczności i ciepła. Wspomniane właściwości sprzyjają jego wielorakim zastosowaniom, na przykład w opracowaniu bardziej wytrzymałych baterii, bardziej wydajnych paneli słonecznych oraz szybszych komputerów. Niemniej jednak trudno jest uformować grafen w strukturę inną niż dwuwymiarowa.
Chi Zhou, Fotografia: Uniwersytet w Buffalo.
Całkiem niedawno przeprowadzono eksperyment, w którym zawiesina tlenku grafenu - który stanowi formę żelopodobną – została umieszczona w zamrożonych formach celem otrzymania obiektów trójwymiarowych. Chociaż niniejsza metoda okazała się skuteczna, można ją wykorzystać wyłącznie w prostych strukturach, które mają bardzo ograniczone zastosowanie przemysłowe.
Zastosowanie drukarki 3D stanowi kolejną opcję. Badacze dodawali do grafenu polimer lub inny środek zagęszczający w celu dalszego wzmocnienia jego struktury. Niemniej jednak jego delikatna kompozycja ulegała uszkodzeniu w chwili, gdy polimer usuwano metodą termiczną.
Inżynierowie z Uniwersytetu w Buffalo, Uniwersytetu Stanowego Kansas oraz Instytutu Technicznego Harbin w Chinach zaproponowali rozwiązanie, które opublikowano 10 lutego w czasopiśmie "Small". Artykuł ilustruje zastosowanie zmodyfikowanej drukarki trójwymiarowej oraz zamrożonej wody do produkcji kratownicy 3D z nawisami oraz regularną siecią przestrzenną o kształcie siatki z wykorzystaniem tlenku grafenu. Niniejsze struktury mogą potencjalnie wspomagać komercyjne wykorzystanie grafenu w wielu gałęziach przemysłu, na przykład w charakterze diagnostycznych urządzeń medycznych, w elektronice, itp.
Grafen pozostaje wciąż odporny na zmiany kształtu, jednak struktura, którą otrzymaliśmy dowodzi, że istnieje możliwość kontrolowania jego postaci w formach trójwymiarowych.
Chi Zhou, adiunkt Wydziału Inżynierii Przemysłowej i Produkcyjnej, Uniwersytet w Buffalo
W trakcie niniejszych eksperymentów, tlenek grafenu mieszano z wodą, po czym szkielet konstrukcji w formie siatki drukowano na powierzchni w temperaturze -25°C. Grafen lokowano pomiędzy warstwami lodu w celu wykonania podparcia konstrukcji.
Po zakończeniu tego procesu, konstrukcja kratownicy została zanurzona w ciekłym azocie. Wspomagało to formowanie silniejszych wiązań wodorowych. W dalszej kolejności kratownicę umieszczano w suszarce sublimacyjnej, w której lód przechodził do postaci gazowej a następnie usuwano go z układu. W efekcie utrzymano skomplikowaną strukturę trójwymiarową zawierającą aerożel grafenowy zdolny do zachowania swojego kształtu w temperaturze pokojowej.
Utrzymując grafen w środowisku niskich temperatur, jesteśmy w stanie utrzymać jego zakładany kształt. Jest to ważny krok w kierunku jego komercyjnego zastosowania.
Dong Lin, adiunkt Wydziału Inżynierii Przemysłowej i Produkcyjnej, Uniwersytet Stanowy Kansas
Idąc naprzód, zespół żywi nadzieję na opracowanie metody wytwarzania struktur aerożelowych formowanych z kilku materiałów.