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石墨烯是一种拥有独特性质的二维材料,但要对其展开充分的利用,必须将之以 3d 的形式重现。 好消息是

石墨烯是一种拥有独特性质的二维材料,但要对其展开充分的利用,必须将之以 3d 的形式重现。好消息是,弗吉尼亚理工大学的研究人员们,已经展示了他们新开发的一种 3d 打印石墨烯气凝胶方案,且其分辨率远高于此前的水准。通常情况下,石墨烯只需要以“单层厚度的碳原子片”的形式出现。尽管其在某些情况下得到了应用,但距离实际投入还很遥远。

新技术让石墨烯气凝胶可以被 3d 打印成更大的形状

简单地堆叠材料,可能会降低其强度和独特的电气、化学、光学性能,因为此时和普通的石墨也没有太大差别了。

不过“石墨烯气凝胶”的多孔形式,设法用空气将 2d 石墨烯的空隙给填满了。其它方法涉及使用激光将石墨烯锻造成 3d 形状、压缩成多孔珊瑚状结构、泡沫 3d 打印、或由碳纳米管支撑。

石墨烯气凝胶重量极轻,甚至可以放在草莓花丝上而不倒。

石墨烯气凝胶的问题在于,将它塑造成所需的形状的方法,做起来一点也不简单。在过去,它能被挤压成瘦至 100 微米的细丝,但难以取得进一步的突破。

而弗吉尼亚理工大学的新研究,就是为了改善这一点。论文作者郑晓宇(音译)表示:“通过这项技术,你可以创造非常有限的结构。但因为没有支撑,其精细度相当受限,无法获得更加自由的形态因素”。

新型 3d 打印石墨烯的扫描电镜显微图像(分辨率为 10 微米的级别)

他们所做的,就是将这些石墨烯层设计成任何你想要的高分辨率形状。为此,研究人员用氧化石墨烯制备了水凝胶,并加入了交联片。然后使用超声波将其分开,与对光敏感的丙烯酸酯聚合物结合。

接着,团队可以用时投影微立体光刻技术 —— 这是一种非常精确的 3d 打印形式,能够在围观尺度上建造结构 —— 创建聚合物的刚性长链、内部则夹着氧化石墨烯。

继续放大至 1 微米的级别

最后,研究人员把混合物置于炉中 —— 烧掉聚合物,并留下石墨烯气凝胶。团队表示,这项技术可以用来制作任何你想要的三维形状石墨烯,且其分辨率精细至 10 微米,较以往提升了一个数量级。

有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《材料新视野》(material horizons)期刊上。原标题为:《additive manufacturing of complex micro-architected graphene aerogels》

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