Les scientifiques de l'Université Rice ont superposé du graphène induit par laser et construit un prototype qui façonne les blocs 3D résultants en formes sophistiquées. La mousse offre de nouvelles possibilités de stockage d'énergie et d'applications flexibles de capteurs électroniques. Crédit :Tour Group/Rice University
Les scientifiques de l'Université Rice ont développé un moyen simple de produire des conducteurs, objets tridimensionnels en mousse de graphène.
Les solides spongieux ressemblent à un jouet d'enfant, mais offrent de nouvelles possibilités de stockage d'énergie et d'applications flexibles de capteurs électroniques, selon le chimiste de Rice James Tour.
La technique détaillée dans Matériaux avancés est une extension des travaux révolutionnaires du laboratoire de Tour qui a produit le premier graphène induit par laser (LIG) en 2014 en chauffant des feuilles de plastique polyimide bon marché avec un laser.
Le laser brûle à mi-chemin à travers le plastique et transforme le dessus en flocons interconnectés de carbone 2-D qui restent attachés à la moitié inférieure. Le LIG peut être réalisé en motifs macroscopiques à température ambiante.
Le labo a étendu sa technique pour créer des LIG sur du bois et même des aliments, mais les objets 3D en graphène pur étaient moins pratiques jusqu'à présent, Tour dit.
« Nous avons maintenant construit un prototype de machine qui nous permet de transformer de la mousse de graphène en objets 3D grâce à des couches successives automatisées et à une exposition laser, " a déclaré Tour. " Cela amène vraiment le graphène dans la troisième dimension sans fours ni besoin de catalyseurs métalliques, et notre processus est facilement évolutif."
Les scientifiques de l'Université Rice fabriquent de la mousse de graphène induite par laser (LIG) 3-D grâce à un processus automatisé qui commence par transformer la couche supérieure d'une feuille de polyimide (PI) en graphène (en haut), empiler une autre couche sur le dessus (au centre) avec de l'éthylène glycol (EG) comme liant, puis brûler également le PI de la couche supérieure en graphène (en bas). Le processus est répété autant que nécessaire pour construire un bloc 3-D qui peut être façonné. Crédit :Tour Group/Rice University
La nouvelle méthode est basée sur la fabrication d'objets laminés, dans lequel des couches d'un matériau sont assemblées puis découpées en forme. Dans ce cas, la couche LIG inférieure reste attachée à sa base en polyimide. Une deuxième couche est enduite d'éthylène glycol et placée face vers le bas sur la première, comme un sandwich à la gelée. Son sommet en polyimide est ensuite brûlé en graphène; le processus est répété jusqu'à ce que le bloc soit terminé.
Le liant éthylène glycol est évaporé sur une plaque chauffante, et tout polyimide restant peut être éliminé dans un four. Cela laisse une vierge, bloc de carbone spongieux, dit Duy Xuan Luong, un étudiant diplômé de Rice et co-auteur principal de l'article. Le laboratoire Rice a empilé jusqu'à cinq couches de mousse, puis a utilisé un système laser à fibre sur mesure sur une imprimante 3D modifiée pour broyer le bloc en formes complexes.
Le laboratoire a assemblé des condensateurs lithium-ion de preuve de concept qui utilisaient un LIG 3-D comme anodes et cathodes. La capacité gravimétrique de l'anode de 354 milliampères-heures par gramme approchait la limite théorique du graphite, tandis que la capacité de la cathode dépassait la capacité moyenne des autres matériaux carbonés. Les cellules d'essai complètes ont conservé environ 70 pour cent de leur capacité après 970 cycles de charge-décharge.
Duy Xuan Luong, étudiant diplômé de l'Université Rice, suspend un bloc tridimensionnel de graphène induit par laser au sommet de deux saules. Le laboratoire utilise un laser industriel pour transformer du plastique polyimide peu coûteux en mousse de graphène à température ambiante, puis lie les feuilles pour produire du poids léger, graphène 3D conducteur. Crédit :Université Rice
"C'est d'excellentes performances dans ces condensateurs lithium-ion de nouvelle génération, qui capturent les meilleures propriétés des batteries lithium-ion et des hybrides de condensateurs, ", a déclaré la tournée.
Les chercheurs ont ensuite infusé un bloc de LIG 3-D avec du polydiméthylsiloxane liquide à travers ses pores de 20 à 30 nanomètres. Cela a créé un plus fort, toujours flexible, matériau conducteur sans changer la forme de la mousse d'origine. A partir de ce matériel, ils ont fabriqué un capteur flexible qui a enregistré avec précision le pouls du poignet d'un volontaire et a déclaré qu'un étalonnage supplémentaire de l'appareil leur permettrait d'extraire la pression artérielle de la forme d'onde du pouls.
