Исследование может дать промышленно полезные количества объемного графена и описано в Интернете в новом исследовании, опубликованном в журнале Американского химического общества ACS Nano.
«Это исследование является первым в своем роде», — сказал химик из Райса Джеймс Тур, соавтор статьи. «Мы показали, как сделать трехмерную пену графена из исходных материалов, не являющихся графеном, и этот метод можно масштабировать на пену графена для приложений аддитивного производства с контролем размера пор."
Графен, один из наиболее интенсивно изученных наноматериалов десятилетия, представляет собой двумерный лист чистого углерода, который является одновременно сверхпрочным и проводящим. Ученые надеются использовать графен во всем: от наноэлектроники и антиобледенителей самолетов до батарей и костных имплантатов. Но для большинства промышленных приложений потребуются большие количества графена в трехмерной форме, и ученые изо всех сил пытались найти простые способы создания объемного трехмерного графена.
Например, исследователи в лаборатории Тура начали использовать лазеры, сахарную пудру и никель для создания трехмерной графеновой пены в конце 2016 года. Ранее в этом году они показали, что могут усилить пену углеродными нанотрубками, в результате чего получился материал, который они назвали «арматурный графен», который может сохранять свою форму, выдерживая при этом вес, в 3000 раз превышающий его собственный. Но сделать арматурный графен было непростой задачей.
Потребовались предварительно изготовленная трехмерная форма, процесс химического осаждения из паровой фазы (CVD) при температуре 1000 градусов Цельсия и почти три часа нагрева и охлаждения.
В последнем исследовании команда из лаборатории Тура и лабораторий Цзюнь Луо Райс и Найцинь Чжао из Тяньцзиня адаптировала обычную технику трехмерной печати для изготовления блоков графеновой пены размером с кончик пальца. Процесс ведется при комнатной температуре.
Формы не требуются, исходные материалы — сахарная пудра и никелевая пудра.
«Этот простой и эффективный метод устраняет необходимость как в формах для холодного прессования, так и в высокотемпературной обработке ССЗ», — сказал со-ведущий автор Джунвэй Ша, бывший приглашенный студент в лаборатории Тура, который сейчас учится в аспирантуре в Тяньцзине. «Мы также должны иметь возможность использовать этот процесс для производства определенных типов графеновой пены, такой как арматурный графен с трехмерной печатью, а также графеновой пены, легированной азотом и серой, путем замены исходных порошков."
Трехмерные лазерные принтеры работают иначе, чем более знакомые трехмерные принтеры на основе экструзии, которые создают объекты, выдавливая расплавленный пластик через иглу, когда они вычерчивают двумерные узоры. При трехмерном лазерном спекании лазер падает на плоский слой порошка.
Где бы лазер ни касался порошка, он плавит или спекает порошок в твердую форму. Лазер растрируется или перемещается вперед и назад, линия за линией, чтобы создать единый двухмерный срез более крупного объекта.
Затем поверх этого слоя укладывается новый слой порошка, и процесс повторяется для создания трехмерных объектов из последовательных двумерных слоев.
В новом процессе Rice использовался коммерчески доступный CO2-лазер.
Когда этот лазер освещал сахар и никелевую пудру, сахар плавился, и никель действовал как катализатор. Графен образовался при охлаждении смеси после того, как лазер перешел на плавление сахара в следующем месте, и Ша и его коллеги провели исчерпывающее исследование, чтобы найти оптимальное время и мощность лазера для максимального увеличения производства графена.
Пена, созданная в результате этого процесса, представляет собой трехмерную форму графена низкой плотности с большими порами, которые составляют более 99 процентов ее объема.
«Трехмерные графеновые пенопласты, полученные с помощью нашего метода, перспективны для приложений, требующих быстрого прототипирования и производства трехмерных углеродных материалов, включая накопление энергии, демпфирование и звукопоглощение», — сказал со-ведущий автор Иилун Ли, аспирант в Рис.
Тур — Т.Т. и W.F. Кафедра химии Чао, а также профессор компьютерных наук, материаловедения и наноинженерии в Райс.
Дополнительные соавторы: Родриго Виллегас Сальватьерра, Туо Ван, Пей Донг, Йонгсун Джи, Сеунг-Ки Ли, Ченхао Чжан, Джибо Чжан и Пуликель Аджаян, все из Райса, и Роберт Смит из Qualified Rapid Products в Западном Иордании, штат Юта.
Исследование было поддержано Управлением научных исследований ВВС и его Междисциплинарной университетской исследовательской инициативой, Советом по стипендиям Китая, Государственной ключевой программой национального естествознания Китая, Национальным фондом естественных наук Китая, Специальным фондом науки и технологий. Основная программа Тяньцзинь и универсальных лазерных систем.