Le frittage laser a été utilisé pour imprimer en 3D des objets en mousse de graphène, une version 3-D du graphène atomiquement mince. À gauche se trouve une photo d'un cube de mousse de graphène de la taille d'un doigt ; à droite, un gros plan du matériau vu au microscope électronique à balayage. Crédit :Tour Group/Rice University
Des nanotechnologues de l'Université Rice et de l'Université chinoise de Tianjin ont utilisé l'impression laser 3D pour fabriquer des objets centimétriques en graphène atomiquement mince.
La recherche pourrait produire des quantités industriellement utiles de graphène en vrac et est décrite en ligne dans une nouvelle étude publiée dans la revue American Chemical Society. ACS Nano .
« Cette étude est une première du genre, " a déclaré le chimiste de Rice James Tour, co-auteur de l'article. "Nous avons montré comment fabriquer des mousses de graphène 3D à partir de matériaux de départ non graphène, et la méthode se prête à être adaptée aux mousses de graphène pour des applications de fabrication additive avec contrôle de la taille des pores. »
Graphène, l'un des nanomatériaux les plus étudiés de la décennie, est une feuille bidimensionnelle de carbone pur qui est à la fois ultrarésistante et conductrice. Les scientifiques espèrent utiliser le graphène pour tout, de la nanoélectronique et des dégivreurs d'avions aux batteries et aux implants osseux. Mais la plupart des applications industrielles nécessiteraient des quantités massives de graphène sous une forme tridimensionnelle, et les scientifiques ont eu du mal à trouver des moyens simples de créer du graphène 3D en vrac.
Par exemple, les chercheurs du laboratoire de Tour ont commencé à utiliser des lasers, du sucre en poudre et du nickel pour fabriquer de la mousse de graphène 3D fin 2016. Plus tôt cette année, ils ont montré qu'ils pouvaient renforcer la mousse avec des nanotubes de carbone, qui a produit un matériau qu'ils ont surnommé « graphène de barres d'armature » qui pouvait conserver sa forme tout en supportant 3, 000 fois son propre poids. Mais fabriquer du graphène pour barres d'armature n'était pas une tâche simple. Il fallait un moule 3D préfabriqué, un 1, Processus de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à 000 degrés Celsius et près de trois heures de chauffage et de refroidissement.
Les objets en mousse de graphène 3-D sont produits en faisant briller un laser sur un mélange de sucre en poudre et de poudre de nickel. Le laser est déplacé d'avant en arrière pour faire fondre le sucre dans un motif 2D, et le nickel agit comme un catalyseur pour stimuler la croissance de la mousse de graphène. Le processus est répété avec des couches successives de poudre pour construire des objets en 3D. Crédit :Tour Group/Rice University
Dans la dernière étude, une équipe du laboratoire de Tour et des laboratoires de Jun Luo de Rice et de Naiqin Zhao de Tianjin a adapté une technique d'impression 3D commune pour fabriquer des blocs de mousse de graphène de la taille du bout des doigts. Le procédé est conduit à température ambiante. Aucun moule n'est nécessaire et les matières premières sont du sucre en poudre et de la poudre de nickel.
"Cette méthode simple et efficace élimine le besoin à la fois de moules à froid et de traitement CVD à haute température, " a déclaré le co-auteur principal Junwei Sha, un ancien étudiant du laboratoire de Tour qui est maintenant chercheur postdoctoral à Tianjin. "Nous devrions également être en mesure d'utiliser ce processus pour produire des types spécifiques de mousse de graphène comme le graphène d'armature imprimé en 3D ainsi que de la mousse de graphène dopée à l'azote et au soufre en changeant les poudres précurseurs."
Les imprimantes laser 3D fonctionnent différemment des imprimantes 3D basées sur l'extrusion, plus familières, qui créent des objets en pressant du plastique fondu à travers une aiguille tout en traçant des motifs bidimensionnels. En frittage laser 3D, un laser éclaire un lit plat de poudre. Partout où le laser touche la poudre, il fond ou fritte la poudre sous une forme solide. Le laser est tramé, ou déplacé d'avant en arrière, ligne par ligne pour créer une seule tranche bidimensionnelle d'un objet plus grand. Ensuite, une nouvelle couche de poudre est déposée sur le dessus de cette couche et le processus est répété pour construire des objets tridimensionnels à partir de couches bidimensionnelles successives.
Le nouveau procédé Rice utilisait un laser CO2 disponible dans le commerce. Lorsque ce laser a été braqué sur le sucre et la poudre de nickel, le sucre était fondu et le nickel servait de catalyseur. Le graphène s'est formé lorsque le mélange a refroidi après que le laser se soit déplacé pour faire fondre le sucre à l'endroit suivant, et Sha et ses collègues ont mené une étude exhaustive pour trouver la durée et la puissance laser optimales pour maximiser la production de graphène.
La mousse créée par le procédé est une mousse de faible densité, Forme 3-D de graphène avec de grands pores qui représentent plus de 99% de son volume.
"Les mousses de graphène 3D préparées par notre méthode sont prometteuses pour des applications qui nécessitent un prototypage et une fabrication rapides de matériaux de carbone 3D, y compris le stockage d'énergie, amortissement et absorption acoustique, " a déclaré le co-auteur principal Yilun Li, un étudiant diplômé à Rice.
