Grafen z drukarki 3D najlżejszym materiałem na świecie

Prowadzone na przestrzeni ostatnich lat intensywne badania nad opracowaniem metody wytwarzania grafenu z wykorzystaniem technologii przyrostowych zaczynają przynosić wymierne efekty. Opisywany niedawno sposób pozyskiwania porowatych struktur grafenowych z polisacharydów, będący odejściem od standardowych metod produkcji, daje możliwość wydajniejszego tworzenia niezwykle wytrzymałych arkuszy. Jednak prawdziwy przełom stanowią wyniki prac badawczych naukowców z trzech prestiżowych uczelni wyższych, którym udało się wydrukować przestrzennie grafen, który oficjalnie zyskał miano najlżejszego materiału na świecie.

Dążenie do wynalezienia metody, która pozwoli na wydajne wytwarzanie grafenu w ilościach przemysłowych przy zachowaniu pożądanych właściwości fizycznych, skłoniło naukowców do zgłębienia zagadnienia wytwarzania struktur aerożelowych. Dotychczas stosowane metody otrzymywania materiału bazujące na tworzeniu struktury przypominającej pianę nie spełniały stawianych im wymagań, zawierając jedynie 20% czystego grafenu we właściwej objętości.

Metoda przygotowana we współpracy badaczy z Buffalo, Kansas i chińskiego Lanzhou pozwala na wydrukowanie lekkich niczym aerożel struktur grafenowych, posiadających standardowe właściwości materiału wytwarzanego standardowymi sposobami. Wytworzone wydruki o grubości atomowej zostały wpisane do księgi rekordów Guinnessa jako drukowana przestrzennie struktura o najmniejszej gęstości na świecie.

Jak tłumaczy Chi Zhou, koordynator projektu, trudność tworzenia przestrzennych konstrukcji z grafenu polega na niedostatecznym stopniu wiązania poszczególnych warstw połączonym z kłopotliwym procesem formowania, co utrudnia stworzenie trwałej geometrii. Tradycyjne, zarówno fizyczne jak i chemiczne, metody wykorzystywane w przypadku łączenia dwuwymiarowych arkuszy materiałów nie są możliwe do wykorzystania jeżeli mamy do czynienia z tą strukturą atomową węgla.

Bazą rozwiązania opracowanego przez zespół Chi Zhou było zastosowanie technologii przyrostowej, opartej na wytłaczaniu specjalnie dostosowanego tworzywa grafenowego o zwiększonej lepkości i porowatości. Drukarka 3D Ultimaker, pracująca w standardowej technologii FDM została zmodyfikowana w taki sposób, aby mieszanina tlenku węgla i wody mogła być nanoszona na podłoże ochłodzone do -20°C.

Oddziaływanie niskiej temperatury pozwala na utrzymanie zamierzonej geometrii, poprzez narastanie kryształów lodu wewnątrz porów wydruków. Gotowe struktury poddawane są procesowi liofilizacji (usunięcia wilgoci), pozostawiając czystą strukturę grafenową bez zbędnych cząsteczek wody. Gęstość grafenu, jaką udało się osiągnąć wynosi 0,5 miligrama na centymetr, co stanowi najlżejszą wydrukowaną przestrzenie strukturę na świecie.

Jak twierdzą twórcy, przygotowany przez nich sposób produkcji grafenowego aerożelu może nadać materiałowi jeszcze lepsze właściwości fizyczne, czego skutkiem będzie poszerzenie wachlarza potencjalnych zastosowań – m.in. w ogniwach zasilających czy elastycznych elektrodach. Dalsze prace nad tą technologią mają sprawić, że globalne wykorzystanie grafenu znacznie wzrośnie, wprowadzając ten materiał na rynek komercyjny.