I ricercatori del Virginia Tech College of Engineering e Lawrence Livermore National Laboratory hanno sviluppato un nuovo processo per la stampa 3D del grafene , uno dei materiali più performanti utilizzati nell’industria aerospaziale, nello stoccaggio di energia e nell’isolamento.
Il grafene è un singolo strato di atomi di carbonio organizzati in un reticolo esagonale. Quando le lastre di grafene sono ordinatamente impilate l’una sull’altra e formate in una forma tridimensionale, diventano grafite, comunemente nota come “mine” nelle matite.
Poiché la grafite è semplicemente un grafene compatto, ha proprietà meccaniche piuttosto scadenti. Ma se i fogli di grafene sono separati con pori riempiti d’aria, la struttura tridimensionale può mantenere le sue proprietà. Questa struttura porosa di grafene è chiamata aerogel di grafene.
In precedenza, i ricercatori potevano solo stampare l’aerogel di grafene in 3D usando l’inchiostro diretto o altri metodi basati sull’estrusione. Bt quella tecnica poteva solo creare oggetti semplici che si sovrapponevano a se stessi.
“Con questa tecnica, ci sono strutture molto limitate che puoi creare perché non c’è supporto e la risoluzione è piuttosto limitata, quindi non puoi ottenere fattori di forma libera”, ha detto Xiaoyu “Rayne” Zheng, ex scienziato del laboratorio LLNL Lab, ora assistente professore in ingegneria meccanica presso Virginia Tech. “Quello che abbiamo fatto è stato ottenere questi livelli di grafene per essere architettati in qualsiasi forma che si desidera con alta risoluzione”.
Tre anni fa, scienziati e ingegneri presso Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e Virginia Tech hanno iniziato a dedicarsi alla stampa 3D di aerogel di grafene utilizzando la luce, un metodo noto come micro-stereolitografia a proiezione.
Nella proiezione di micro-stereolitografia, la luce ultravioletta viene utilizzata per proiettare l’immagine di uno strato parziale in una resina liquida fotosensibile, che viene polimerizzata e indurita nella forma dell’immagine. Usando questo metodo, i ricercatori sono stati in grado di ridurre la risoluzione in aerogel di grafene 3D stampati con metodi basati sull’estrusione da circa 100 micron a circa 10 micron.
Per creare queste strutture complesse, i ricercatori hanno iniziato con l’ossido di grafene, un precursore del grafene, reticolando i fogli per formare un idrogel poroso. Rompendo l’idrogel di ossido di grafene con ultrasuoni e aggiungendo polimeri acrilici sensibili alla luce, i ricercatori potrebbero utilizzare la micro-stereolitografia a proiezione per creare la struttura 3D solida desiderata con l’ossido di grafene intrappolato nelle lunghe e rigide catene di polimero acrilato. Infine, hanno posizionato la struttura 3D in una fornace per bruciare i polimeri e fondere insieme l’oggetto, lasciandosi dietro un aerogel grafene puro e leggero.
Una delle principali sfide del progetto è stata la realizzazione di una resina di aerogel di grafene compatibile con il processo di micro-stereolitografia. Ryan Hensleigh, uno stagista estivo al LLNL che sta portando avanti il suo dottorato di ricerca. alla Virginia Tech in scienze e ingegneria macromolecolare, ha affermato di aver lavorato su numerose miscele chimiche per un periodo di due anni prima di trovare la giusta combinazione.
“È una svolta significativa rispetto a ciò che è stato fatto”, ha detto Hensleigh. “Siamo in grado di accedere praticamente a qualsiasi struttura desiderata.” La possibilità di stampare strutture complesse da aerogel di grafene apre anche le porte a numerose applicazioni che potrebbero trarre vantaggio da una progettazione ottimizzata basata su computer, come aerospaziale, reattori, impianti di desalinizzazione e trattamento chimico .
“Siamo stati in grado di dimostrare che è possibile creare un’architettura 3D complessa del grafene pur conservando alcune delle sue intrinseche proprietà primarie”, ha affermato Zheng. “Di solito quando provi a stampare o ad aumentare la scala in 3D, perdi la maggior parte delle proprietà meccaniche lucrative trovate nella sua forma a foglio singolo.”
Scienziati e ingegneri stanno ora cercando di aumentare la superficie delle parti stampate in 3D e faranno ulteriori ricerche per determinare parametri precisi per ottimizzare ulteriormente la tecnologia.
Il risultato chiave di questo lavoro è stato recentemente pubblicato sulla rivista Materials Horizons .
