חוקרים לפתח תהליך חדשני 3-D להדפיס אחד החומרים החזקים ביותר על פני כדור הארץ

Anonim

חוקרים מווירג 'יניה טק לורנס ליברמור המעבדה הלאומית פיתחו דרך חדשה 3-D אובייקטים מורכבים הדפסה של אחד מהחומרים בעל הביצועים הגבוהים ביותר המשמשים את הסוללה ותעשיות התעופה והחלל.

בעבר, החוקרים יכלו רק להדפיס את החומר הזה, המכונה גראפן, ב 2-D גיליונות או מבנים בסיסיים. אבל וירג 'יניה טק מהנדסים שיתפו פעולה עכשיו על פרויקט המאפשר להם 3-D להדפיס גרפן אובייקטים ברזולוציה בסדר גודל גדול יותר מאשר אי פעם מודפס, אשר פותח את היכולת תיאורטית ליצור כל גודל או צורה של גראפן.

בגלל כוחו גרפן הוא אחד החומרים החזקים ביותר שנבדקו אי פעם על כדור הארץ - ואת מוליכות תרמית גבוהה החשמל שלה, 3-D מודפס גראפן אובייקטים יהיה נחשק מאוד בתעשיות מסוימות, כולל סוללות, חלל, הפרדה, ניהול חום, חיישנים, ו קטליזה.

גרפן הוא שכבה אחת של אטומי פחמן המאורגנים בסריג משושה. כאשר הסדינים גרפן הם מסודרים בקפידה על גבי אחד את השני ויצרו לתוך צורה תלת מימדי, זה הופך גרפיט, הידוע בכינויו "להוביל" בעפרונות.

בגלל גרפיט הוא פשוט ארוז יחד גרפן, יש תכונות מכניות למדי למדי. אבל אם הסדינים גרפן מופרדים עם אוויר מלא pores, המבנה תלת מימדי יכול לשמור על תכונותיו. זה מבנה גרפן נקבובי נקרא airgel גרפן.

"עכשיו מעצב יכול לתכנן טופולוגיה תלת מימדי המורכב גיליונות גרפן מחובר", אמר Xiaoyu "ריין" ג 'נג, פרופסור עם המחלקה להנדסת מכונות במכללה להנדסה ומנהל המעבדה ייצור מתקדמים Metamaterials. "זה עיצוב חדש חופש הייצור יוביל אופטימיזציה של כוח, מוליכות, תחבורה המונית, כוח, ואת צפיפות המשקל כי הם לא ניתן להשיג ב aerogels גרפן."

ג 'נג, גם חבר סגל המזוהה של Macromolecules חדשנות המכון, קיבל מענקים ללמוד חומרים ננומטריים בקנה מידה אותם עד חומרים קלים ופונקציונליים עבור יישומים בחלל, מכוניות, וסוללות.

בעבר, החוקרים יכולים להדפיס גרפן באמצעות תהליך שחול, סוג של כמו משחת שיניים סוחטת, אבל טכניקה זו יכולה ליצור רק חפצים פשוטים שנערמו על גבי עצמו.

"עם טכניקה זו, יש מבנים מוגבלים מאוד שאתה יכול ליצור כי אין תמיכה ואת ההחלטה היא מוגבלת למדי, אז אתה לא יכול לקבל גורמים חופשית", אמר ג 'נג. "מה שעשינו היה להשיג שכבות גרפן אלה להיות architected לכל צורה שאתה רוצה ברזולוציה גבוהה."

פרויקט זה החל לפני שלוש שנים, כאשר ריאן הנסליי, המחבר הראשי של המאמר ועכשיו של השנה השלישית Macromolecular מדע והנדסה Ph.D. סטודנט, החל התמחות במעבדה הלאומית לורנס ליברמור בליברמור, קליפורניה. Hensleigh התחיל לעבוד עם ג 'נג, שהיה אז חבר הצוות הטכני ב לורנס ליברמור המעבדה הלאומית. כאשר ג 'נג הצטרף סגל בווירג' יניה טק בשנת 2016, Hensleigh בעקבות כסטודנט המשיך לעבוד על הפרויקט הזה.

כדי ליצור מבנים מורכבים אלה, Hensleigh התחיל עם תחמוצת גרפן, מבשר גראפן, crosslinking את הסדינים ליצירת הידרוגל נקבובי. לשבור את הידרוגל תחמוצת גרפן עם אולטרסאונד והוספת פולימרים אקרילייט רגישים לאור, Hensleigh יכול להשתמש הקרנה מיקרו stereolithography ליצור את המבנה הרצוי 3-D מוצק עם תחמוצת גרפן לכודים ברשתות ארוכות, נוקשה של פולימר אקרילט. לבסוף, Hensleigh היה מקום 3-D מבנה בכבשן כדי לשרוף את הפולימרים ואת הפתיל את האובייקט יחד, משאיר מאחורי גרפן טהור וקל משקל airgel.

"זוהי פריצת דרך משמעותית בהשוואה למה שנעשה", אמר הנסליי. "אנחנו יכולים לגשת פחות או יותר לכל מבנה הרצוי." הממצא העיקרי של עבודה זו, אשר פורסם לאחרונה עם משתפי פעולה ב לורנס ליברמור המעבדה הלאומית בכתב העת חומרים אופקים, היא כי החוקרים יצרו מבנים גרפן עם רזולוציה בסדר גודל בסדר עדיף מאשר אי פעם מודפס. Hensleigh אמר תהליכים אחרים יכולים להדפיס עד 100 מיקרון, אבל הטכניקה החדשה מאפשרת לו להדפיס עד 10 מיקרון ברזולוציה, אשר מתקרב לגודל של גיליונות גרפן בפועל.

"הצלחנו להראות שאתה יכול ליצור ארכיטקטורה מורכבת תלת-מימדית של גרפן, תוך שמירה על כמה מהמאפיינים העיקריים שלה", אמר ג'נג. "בדרך כלל כאשר אתה מנסה להדפיס גראפן 3-D או בקנה מידה למעלה, אתה מאבד את רוב התכונות המכניות הרווחי שלהם למצוא טופס גיליון יחיד שלה."

menu
menu