Wydajniejsza metoda produkcji przestrzennych struktur grafenu z… cukru

0

Grafen ze względu na szereg doskonałych właściwości fizycznych i mechanicznych na przestrzeni kilku ostatnich lat zyskał miano „materiału przyszłości„, stając się tym samym obiektem zainteresowań firm z szerokiego wachlarza dziedzin – od zastosowań w nanoelektronice, po przemysł lotniczy czy medycynę.

Mimo intensywnych badań nad sposobami wytwarzania materiału największą popularnością wciąż cieszy się klasyczna metoda osadzania płaskich arkuszy na na podłożu z metali czy innych materiałów nieorganicznych. Połączenie sił naukowców z amerykańskiego Uniwersytet Rice oraz chińskiej uczelni wyższej w Tianjin zaowocowało nową metodą tworzenia trójwymiarowych, porowatych struktur grafenu z wykorzystaniem laserowej drukarki przestrzennej.

Testy prowadzone nad sposobem wytwarzania grafenowej pianki przy zastosowaniu technologii addytywnych mają prekursorski charakter – możliwość otrzymania przestrzennej struktury o kontrolowanej wielkości porów może wpłynąć na bardziej kompleksowe zastosowanie materiału w przemyśle, wykorzystując jego realne właściwości. Bardziej wydajne tworzenie przestrzennych struktur grafenowych dla użytku branży przemysłowej wydaje się być rozwiązaniem problemu nad którym naukowcy pracowali już od dawna.

Sednem projektu tworzenia warstwowych geometrii złożonych z pojedynczych atomów węgla było zrozumienie sposobu tworzenia porowatej struktury, bazując na innych (dość zaskakujących) materiałach – cukrze pudrze (sacharoza) oraz proszkach metalicznych jak nikiel. Pod wpływem działania standardowego lasera mieszanina składników ulegała reakcji spalania, gdzie udział proszku niklowego ograniczał się do roli katalizatora. Optymalne ustawienia mocy lasera, czasu ekspozycji i składu proszku pozwoliła na zmaksymalizowanie ilości wytwarzanego wysokoporowatego materiału.

Jak dotąd badaczom udawało się jedynie domieszkować wytwarzane materiały dodatkami nanorurek węglowych, zwiększając tym samym ich wytrzymałość na obciążenia blisko 3000 razy. Jednaka proces przez restrykcyjnie określone warunki (atmosfera gazowa, duże amplitudy temperatur czy długi czas) i niską powtarzalność okazał się niewłaściwy dla zastosowań przemysłowych, a specjaliści postanowili szukać wydajniejszej metody produkcji.

Dzięki zastosowaniu technologii spiekania laserowego badaczom udało się dostosować parametry (temperatura pokojowa) i składniki poddawane reakcji tak, aby proces był wydajny i pozwalał na otrzymanie porowatego bloku grafenowego. Jak przyznaje jeden z członków zespołu badawczego, zastosowanie druku 3D w cyklu produkcyjnym eliminuje konieczność wytwarzania form czy stosowania wysokotemperaturowych procesów osadzania z fazy gazowej. Co więcej, metoda oparta o selektywne spiekanie daje możliwość wzbogacania proszku o inne pierwiastki chemiczne jak azot czy siarka dla uzyskania pożądanych właściwości materiału.

Zdjęcia porowatej struktury grafenu wykonane przy pomocy skaningowego mikroskopu elektronowego

Wśród potencjalnych zastosowań grafenowej pianki badacze z chińskiego Uniwersytetu w Tianjin wymieniają wykorzystanie pianek grafenowych jako rozwiązania problemu z magazynowaniem energii czy pochłanianiem dźwięków.

Grafika: [1] [2] [3]
Źródło: 3dprintingprogress.com

Udostępnij.

O autorze

Magdalena Przychodniak

Przyszła inżynier Inżynierii Biomedycznej, śledząca najnowsze doniesienia dotyczące biodruku oraz zastosowań druku przestrzennego w nowoczesnej medycynie. Zaangażowana w życie koła naukowego zajmującego się budową biodrukarki 3D.