Investigadores de Virginia Tech y Lawrence Livermore National Laboratory han desarrollado una forma novedosa de imprimir en 3D objetos complejos de uno de los materiales de mayor rendimiento utilizados en las industrias aeroespacial y de baterías.

Previamente, los investigadores solo podían imprimir este material, conocido como grafeno, en láminas 2-D o estructuras básicas. Pero los ingenieros de Virginia Tech ahora han colaborado en un proyecto que les permite imprimir objetos de grafeno en 3D con una resolución de un orden de magnitud mayor que nunca antes impresos. que desbloquea la capacidad de crear teóricamente cualquier tamaño o forma de grafeno.

Debido a su fuerza (el grafeno es uno de los materiales más fuertes jamás probados en la Tierra) y su alta conductividad térmica y eléctrica, Los objetos de grafeno impresos en 3-D serían muy codiciados en ciertas industrias, incluidas las baterías, aeroespacial, separación, gestión del calor, sensores, y catálisis.

El grafeno es una capa única de átomos de carbono organizados en una red hexagonal. Cuando las hojas de grafeno se apilan ordenadamente una encima de la otra y se forman en una forma tridimensional, se convierte en grafito, comúnmente conocida como la "mina" en los lápices.

Debido a que el grafito es simplemente grafeno empaquetado, tiene propiedades mecánicas bastante pobres. Pero si las láminas de grafeno se separan con poros llenos de aire, la estructura tridimensional puede mantener sus propiedades. Esta estructura porosa de grafeno se llama aerogel de grafeno.

"Ahora un diseñador puede diseñar una topología tridimensional compuesta por láminas de grafeno interconectadas, "dijo Xiaoyu" Rayne "Zheng, profesor asistente del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Facultad de Ingeniería y director del Laboratorio de Fabricación Avanzada y Metamateriales. "Este nuevo diseño y libertad de fabricación conducirán a la optimización de la resistencia, conductividad, Transporte masivo, fuerza, y densidad de peso que no se pueden lograr con aerogeles de grafeno ".

Zheng, también miembro de la facultad afiliada del Instituto de Innovación de Macromoléculas, ha recibido subvenciones para estudiar materiales a nanoescala y escalarlos a materiales ligeros y funcionales para aplicaciones en la industria aeroespacial, automóviles, y pilas.

Previamente, los investigadores podrían imprimir grafeno mediante un proceso de extrusión, algo así como apretar pasta de dientes, pero esa técnica solo podía crear objetos simples que se apilaran sobre sí misma.

"Con esa técnica, hay estructuras muy limitadas que puede crear porque no hay soporte y la resolución es bastante limitada, para que no pueda obtener factores de forma libre, ", Dijo Zheng." Lo que hicimos fue conseguir que estas capas de grafeno se diseñen en cualquier forma que desee con alta resolución ".

Este proyecto comenzó hace tres años cuando Ryan Hensleigh, autor principal del artículo y ahora un doctorado en Ciencias Macromoleculares e Ingeniería de tercer año. estudiante, comenzó una pasantía en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en Livermore, California. Hensleigh comenzó a trabajar con Zheng, quien entonces era miembro del personal técnico del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. Cuando Zheng se unió a la facultad de Virginia Tech en 2016, Hensleigh siguió como estudiante y continuó trabajando en este proyecto.

Para crear estas estructuras complejas, Hensleigh comenzó con óxido de grafeno, un precursor del grafeno, reticular las hojas para formar un hidrogel poroso. Romper el hidrogel de óxido de grafeno con ultrasonidos y agregar polímeros de acrilato sensibles a la luz, Hensleigh podría utilizar la microestereolitografía de proyección para crear la estructura sólida 3-D deseada con el óxido de grafeno atrapado en el largo, cadenas rígidas de polímero de acrilato. Finalmente, Hensleigh colocaría la estructura 3-D en un horno para quemar los polímeros y fusionar el objeto, dejando atrás un aerogel de grafeno puro y ligero.

"Es un avance significativo en comparación con lo que se ha hecho, ", Dijo Hensleigh." Podemos acceder a prácticamente cualquier estructura que desee ". El hallazgo clave de este trabajo, que se publicó recientemente con colaboradores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en la revista Materiales Horizontes , es que los investigadores crearon estructuras de grafeno con una resolución de un orden de magnitud más fina que nunca impresa. Hensleigh dijo que otros procesos podrían imprimir hasta 100 micrones, pero la nueva técnica le permite imprimir hasta 10 micrones de resolución, que se acerca al tamaño de las hojas de grafeno reales.

"Hemos podido demostrar que puede crear un complejo, arquitectura tridimensional del grafeno conservando al mismo tiempo algunas de sus principales propiedades intrínsecas, ", Dijo Zheng." Por lo general, cuando intentas imprimir grafeno en 3D o escalar, pierde la mayoría de sus lucrativas propiedades mecánicas que se encuentran en su forma de hoja única ".