华裔科学家研发3D打印石墨烯气凝胶方法

    3D打印技术前沿又有新突破！日前，美国堪萨斯州立大学（K-State）的研究人员研发出一种新技术，可以制造出就有复杂微观结构的超轻石墨烯气凝胶。研究人员们希望这一新技术能够为此类材料开辟新的用途。

图1 超轻石墨烯气凝胶

    所谓的气凝胶，是一种具有海绵状结构的低密度材料。它可以用于很多重要的用途，比如作为热和光的绝缘体等。而研究人员们尤为感兴趣的是石墨烯与气凝胶相结合所获得的一些特别的属性，比如高压缩性、高电导率和一直被热捧的在制造可能的减震结构、固态电池和催化剂等方面的用途。

图2 使用石墨烯气凝胶材料进行3D打印

    尽管很多人将3D打印技术看作使用石墨烯气凝胶材料制造复杂结构来用于上述应用的一个很有前途的方法。但是实际做起来远非那么简单。“为了能够进行3D打印你需要首先改变石墨烯的粘度，因为它是真的很高。”堪萨斯州立大学的林栋博士说。

图3 打印石墨烯气凝胶结构

    传统上，要打印石墨烯气凝胶结构，研究人员倾向于先将石墨烯与聚合物或者硅混合在一起，然后使用喷墨打印机在室温或者高温下挤出这些石墨烯混合物。随后，通过燃烧或者化学过程来去除聚合物或硅，但是这样可能会损坏气凝胶的结构。另外这种层叠式的打印技术很难制造出像悬浮物那样的复杂结构。由于其分层结构，3D打印气凝胶也往往会导致材料的物理性能更差。

图4 研发3D打印石墨烯气凝胶方法

    他们将石墨烯氧化物与水混合在一起，然后再零下25摄氏度的温度下将其3D打印到一个表面上。这样每打印出来的一层都会被冰冻住，然后在冰的支持下再打印下一层。而且，他们发现当沉积这些石墨烯氧化悬浮物到冷冻结构上时，未冻的材料会解冻已经结冰的表面，从而造成层与层之间自由混合并重新结冰，形成了氢键和并改善了气凝胶结构的完整性。另外通过使用第二个注满纯水的3D打印机喷嘴，他们也可以创建复杂结构，因为水形成了冰支撑，在此基础上他们就能层积石墨烯氧化悬浮物。

    最后，将产生的气凝胶至于液氮中进行冷冻干燥以去除水分，然后加热使其成为气凝胶。根据这种技术，研究者们能够创建出密度范围在0.5到10毫克每立方厘米的气凝胶，而且其具有良好的导电性和高压缩性。如今，研究人员希望能够进一步研究他们的多喷嘴方法是否可以使用多种材料创建气凝胶结构。