La sinterización láser se utilizó para imprimir objetos en 3D hechos de espuma de grafeno, una versión tridimensional de grafeno atómicamente delgado. A la izquierda hay una foto de un cubo de espuma de grafeno del tamaño de la punta de un dedo; a la derecha hay un primer plano del material visto con un microscopio electrónico de barrido. Crédito:Tour Group / Rice University
Los nanotecnólogos de la Universidad de Rice y la Universidad de Tianjin de China han utilizado la impresión láser 3-D para fabricar objetos del tamaño de un centímetro de grafeno atómicamente delgado.
La investigación podría producir cantidades industrialmente útiles de grafeno a granel y se describe en línea en un nuevo estudio en la revista American Chemical Society. ACS Nano .
"Este estudio es el primero de su tipo, "dijo el químico de Rice James Tour, coautor correspondiente del artículo. "Hemos mostrado cómo hacer espumas de grafeno 3D a partir de materiales de partida distintos del grafeno, y el método se presta para ser escalado a espumas de grafeno para aplicaciones de fabricación aditiva con control del tamaño de los poros ".
Grafeno uno de los nanomateriales más estudiados de la década, es una lámina bidimensional de carbono puro que es a la vez ultrafuerte y conductora. Los científicos esperan usar grafeno para todo, desde nanoelectrónica y descongeladores de aviones hasta baterías e implantes óseos. Pero la mayoría de las aplicaciones industriales requerirían grandes cantidades de grafeno en forma tridimensional, y los científicos han luchado por encontrar formas sencillas de crear grafeno tridimensional a granel.
Por ejemplo, investigadores del laboratorio de Tour comenzaron a usar láseres, azúcar en polvo y níquel para hacer espuma de grafeno 3-D a finales de 2016. A principios de este año demostraron que podían reforzar la espuma con nanotubos de carbono, que produjo un material al que llamaron "grafeno de barra de refuerzo" que podía conservar su forma mientras soportaba 3, 000 veces su propio peso. Pero hacer grafeno de varilla no fue una tarea sencilla. Requería un molde tridimensional prefabricado, un 1, Proceso de deposición de vapor químico (CVD) de 000 grados Celsius y casi tres horas de calentamiento y enfriamiento.
Los objetos de espuma de grafeno 3-D se producen al iluminar con un láser una mezcla de azúcar en polvo y polvo de níquel. El láser se mueve hacia adelante y hacia atrás para derretir el azúcar en un patrón 2-D, y el níquel actúa como catalizador para estimular el crecimiento de la espuma de grafeno. El proceso se repite con sucesivas capas de polvo para construir objetos tridimensionales. Crédito:Tour Group / Rice University
En el último estudio, un equipo del laboratorio de Tour y los laboratorios de Jun Luo de Rice y Naiqin Zhao de Tianjin adaptaron una técnica de impresión 3D común para hacer bloques de espuma de grafeno del tamaño de la punta de un dedo. El proceso se realiza a temperatura ambiente. No se requieren moldes y los materiales de partida son azúcar en polvo y níquel en polvo.
"Este método simple y eficiente elimina la necesidad tanto de moldes de prensado en frío como de tratamiento CVD a alta temperatura, "dijo el coautor principal Junwei Sha, un ex alumno del laboratorio de Tour que ahora es investigador postdoctoral en Tianjin. "También deberíamos poder utilizar este proceso para producir tipos específicos de espuma de grafeno como el grafeno de varilla de refuerzo impreso en 3D, así como espuma de grafeno dopado con nitrógeno y azufre cambiando los polvos precursores".
Las impresoras láser tridimensionales funcionan de manera diferente a las impresoras tridimensionales basadas en extrusión más familiares, que crean objetos exprimiendo plástico derretido a través de una aguja mientras trazan patrones bidimensionales. En sinterización láser 3D, un láser brilla sobre un lecho plano de polvo. Dondequiera que el láser toque el polvo, derrite o sinteriza el polvo en una forma sólida. El láser está rasterizado, o movido de un lado a otro, línea por línea para crear un solo corte bidimensional de un objeto más grande. Luego, se coloca una nueva capa de polvo sobre la parte superior de esa capa y el proceso se repite para construir objetos tridimensionales a partir de sucesivas capas bidimensionales.
El nuevo proceso de Rice utilizó un láser de CO2 disponible comercialmente. Cuando este láser se iluminó sobre el azúcar y el níquel en polvo, el azúcar se fundió y el níquel actuó como catalizador. El grafeno se formó cuando la mezcla se enfrió después de que el láser se moviera para derretir el azúcar en el siguiente lugar, y Sha y sus colegas llevaron a cabo un estudio exhaustivo para encontrar la cantidad óptima de tiempo y potencia láser para maximizar la producción de grafeno.
La espuma creada por el proceso es de baja densidad, Forma tridimensional de grafeno con poros grandes que representan más del 99 por ciento de su volumen.
"Las espumas de grafeno 3-D preparadas con nuestro método son prometedoras para aplicaciones que requieren la creación rápida de prototipos y la fabricación de materiales de carbono 3-D, incluido el almacenamiento de energía, amortiguación y absorción acústica, "dijo el coautor principal Yilun Li, estudiante de posgrado en Rice.
