Des chercheurs du Virginia Tech College of Engineering et du Lawrence Livermore National Laboratory ont développé un nouveau procédé pour imprimer en 3D du graphène, l'un des matériaux les plus résistants jamais testés, à une résolution plus élevée qui était un ordre de grandeur plus grand que jamais imprimé auparavant. Crédit :Virginia Tech
Des chercheurs de Virginia Tech et du Lawrence Livermore National Laboratory ont développé une nouvelle façon d'imprimer en 3D des objets complexes de l'un des matériaux les plus performants utilisés dans les industries des batteries et de l'aérospatiale.
Précédemment, les chercheurs ne pouvaient imprimer que ce matériel, connu sous le nom de graphène, dans des feuilles 2D ou des structures de base. Mais les ingénieurs de Virginia Tech ont maintenant collaboré sur un projet qui leur permet d'imprimer en 3D des objets en graphène à une résolution d'un ordre de grandeur plus grand que jamais auparavant imprimé, qui ouvre la possibilité de créer théoriquement n'importe quelle taille ou forme de graphène.
En raison de sa résistance (le graphène est l'un des matériaux les plus résistants jamais testés sur Terre) et de sa conductivité thermique et électrique élevée, Les objets en graphène imprimés en 3D seraient très convoités dans certaines industries, y compris les piles, aérospatial, séparation, gestion de la chaleur, capteurs, et catalyse.
Le graphène est une couche unique d'atomes de carbone organisés en un réseau hexagonal. Lorsque les feuilles de graphène sont soigneusement empilées les unes sur les autres et formées en une forme tridimensionnelle, il devient graphite, communément appelé « plomb » dans les crayons.
Parce que le graphite est simplement du graphène emballé, il a des propriétés mécaniques assez médiocres. Mais si les feuilles de graphène sont séparées par des pores remplis d'air, la structure tridimensionnelle peut conserver ses propriétés. Cette structure poreuse de graphène est appelée aérogel de graphène.
"Maintenant, un concepteur peut concevoir une topologie tridimensionnelle composée de feuilles de graphène interconnectées, " dit Xiaoyu "Rayne" Zheng, professeur adjoint au Département de génie mécanique du Collège d'ingénierie et directeur du Laboratoire de fabrication de pointe et de métamatériaux. « Cette nouvelle liberté de conception et de fabrication conduira à une optimisation de la résistance, conductivité, transports en commun, force, et la densité de poids qui ne sont pas réalisables dans les aérogels de graphène."
Zoom en treillis d'octet de graphène sur la fleur de fraisier. Crédit :Virginia Tech
Zheng, également membre du corps professoral affilié du Macromolecules Innovation Institute, a reçu des subventions pour étudier les matériaux à l'échelle nanométrique et les transformer en matériaux légers et fonctionnels pour des applications dans l'aérospatiale, automobile, et piles.
Précédemment, les chercheurs pourraient imprimer du graphène à l'aide d'un procédé d'extrusion, un peu comme presser du dentifrice, mais cette technique ne pouvait créer que des objets simples qui s'empilaient sur elle-même.
« Avec cette technique, il y a des structures très limitées que vous pouvez créer car il n'y a pas de support et la résolution est assez limitée, vous ne pouvez donc pas obtenir de facteurs de forme libre, " a déclaré Zheng. " Ce que nous avons fait, c'est d'obtenir que ces couches de graphène soient architecturées dans n'importe quelle forme que vous voulez avec une haute résolution. "
Ce projet a commencé il y a trois ans lorsque Ryan Hensleigh, auteur principal de l'article et maintenant doctorant en sciences macromoléculaires et ingénierie en troisième année. étudiant, a commencé un stage au Lawrence Livermore National Laboratory à Livermore, Californie. Hensleigh a commencé à travailler avec Zheng, qui était alors membre du personnel technique du Lawrence Livermore National Laboratory. Lorsque Zheng a rejoint la faculté de Virginia Tech en 2016, Hensleigh a suivi en tant qu'étudiant et a continué à travailler sur ce projet.
Pour créer ces structures complexes, Hensleigh a commencé avec de l'oxyde de graphène, un précurseur du graphène, réticuler les feuilles pour former un hydrogel poreux. Briser l'hydrogel d'oxyde de graphène par ultrasons et ajouter des polymères d'acrylate photosensibles, Hensleigh pourrait utiliser la micro-stéréolithographie par projection pour créer la structure 3D solide souhaitée avec l'oxyde de graphène piégé dans le long, chaînes rigides de polymère d'acrylate. Finalement, Hensleigh placerait la structure 3-D dans un four pour brûler les polymères et fusionner l'objet ensemble, laissant derrière lui un aérogel de graphène pur et léger.
"C'est une avancée significative par rapport à ce qui a été fait, " Hensleigh a dit. " Nous pouvons accéder à pratiquement n'importe quelle structure désirée que vous voulez. " La conclusion clé de ce travail, qui a été récemment publié avec des collaborateurs du Lawrence Livermore National Laboratory dans la revue Horizons de matériaux , est que les chercheurs ont créé des structures de graphène avec une résolution d'un ordre de grandeur plus fine que jamais imprimée. Hensleigh a déclaré que d'autres processus pouvaient imprimer jusqu'à 100 microns, mais la nouvelle technique lui permet d'imprimer jusqu'à 10 microns de résolution, qui approche la taille des feuilles de graphène réelles.
"Nous avons pu montrer que vous pouvez faire un complexe, architecture tridimensionnelle du graphène tout en conservant certaines de ses propriétés intrinsèques premières, " a déclaré Zheng. "Habituellement, lorsque vous essayez d'imprimer du graphène en 3D ou de l'agrandir, vous perdez la plupart de leurs propriétés mécaniques lucratives trouvées dans sa forme de feuille unique."
