Los nanotecnólogos de la Universidad de Rice y la Universidad de Tianjin de China han utilizado la impresión láser 3-D para fabricar objetos del tamaño de un centímetro de grafeno atómicamente delgado.
La investigación podría producir cantidades industrialmente útiles de grafeno a granel y se describe en línea en un nuevo estudio en la revista American Chemical Society ACS Nano .
"Este estudio es el primero en su tipo", dijo el químico de Rice James Tour, coautor correspondiente del artículo. "Hemos mostrado cómo hacer espumas de grafeno 3-D a partir de materiales de partida distintos del grafeno, y el método se presta asiendo escalado a espumas de grafeno para aplicaciones de fabricación aditiva con control del tamaño de los poros ".
El grafeno, uno de los nanomateriales más estudiados de la década, es una lámina bidimensional de carbono puro que es ultrafuerte y conductora. Los científicos esperan usar el grafeno para todo, desde nanoelectrónica y descongeladores de aviones hasta baterías e implantes óseos.Pero la mayoría de las aplicaciones industriales requerirían grandes cantidades de grafeno en forma tridimensional, y los científicos han luchado por encontrar formas sencillas de crear grafeno tridimensional a granel.
Por ejemplo, los investigadores del laboratorio de Tour comenzaron a usar láseres, azúcar en polvo y níquel para hacer espuma de grafeno 3-D a fines de 2016. A principios de este año demostraron que podían reforzar la espuma con nanotubos de carbono, que producían un material que llamaron "varilla de grafeno "que podía conservar su forma mientras soportaba 3000 veces su propio peso. Pero hacer varillas de grafeno no era una tarea sencilla. Se requería un molde tridimensional prefabricado, un proceso de deposición química de vapor CVD de 1000 grados Celsius y casitres horas de calentamiento y enfriamiento.
En el último estudio, un equipo del laboratorio de Tour y los laboratorios de Jun Luo de Rice y Naiqin Zhao de Tianjin adaptaron una técnica de impresión 3D común para hacer bloques de espuma de grafeno del tamaño de la punta de un dedo. El proceso se realiza a temperatura ambiente. Nose requieren moldes y los materiales de partida son azúcar en polvo y níquel en polvo.
"Este método simple y eficiente elimina la necesidad tanto de moldes de prensado en frío como de tratamiento de enfermedades cardiovasculares de alta temperatura", dijo el coautor principal Junwei Sha, un ex estudiante visitante en el laboratorio de Tour que ahora es un estudiante graduado en Tianjin"También deberíamos poder utilizar este proceso para producir tipos específicos de espuma de grafeno como el grafeno de varilla de refuerzo impreso en 3D, así como espuma de grafeno dopado con nitrógeno y azufre cambiando los polvos precursores".
Las impresoras láser tridimensionales funcionan de manera diferente a las impresoras tridimensionales basadas en extrusión más familiares, que crean objetos presionando plástico derretido a través de una aguja mientras trazan patrones bidimensionales. En la sinterización láser tridimensional, un láser brillasobre un lecho plano de polvo. Dondequiera que el láser toque el polvo, derrite o sinteriza el polvo en una forma sólida. El láser se trama, o se mueve hacia adelante y hacia atrás, línea por línea para crear una sola rebanada bidimensional de unaLuego, se coloca una nueva capa de polvo sobre la parte superior de esa capa y el proceso se repite para construir objetos tridimensionales a partir de capas bidimensionales sucesivas.
El nuevo proceso de Rice utilizó un CO disponible comercialmente 2 láser. Cuando este láser se iluminó sobre el azúcar y el níquel en polvo, el azúcar se derritió y el níquel actuó como catalizador. El grafeno se formó cuando la mezcla se enfrió después de que el láser se había movido para derretir el azúcar en el siguiente punto, y Shay sus colegas realizaron un estudio exhaustivo para encontrar la cantidad óptima de tiempo y potencia láser para maximizar la producción de grafeno.
La espuma creada por el proceso es una forma tridimensional de grafeno de baja densidad con poros grandes que representan más del 99 por ciento de su volumen.
"Las espumas de grafeno 3-D preparadas con nuestro método son prometedoras para aplicaciones que requieren la creación rápida de prototipos y la fabricación de materiales de carbono 3-D, incluido el almacenamiento de energía, la amortiguación y la absorción de sonido", dijo el coautor principal Yilun Li, graduadoestudiante en Rice.
Tour es la Cátedra TT y WF Chao en Química, así como profesor de ciencias de la computación y ciencia de materiales y nanoingeniería en Rice.
Los coautores adicionales incluyen a Rodrigo Villegas Salvatierra, Tuo Wang, Pei Dong, Yongsung Ji, Seoung-Ki Lee, Chenhao Zhang, Jibo Zhang y Pulickel Ajayan, todos de Rice, y Robert Smith de Qualified Rapid Products en West Jordan, Utah.
La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y su Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria, el Consejo de Becas de China, el Programa Estatal Clave de Ciencias Naturales Nacionales de China, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, la Fundación Especial para la Cienciay el Programa Principal de Tecnología de Tianjin y Universal Laser Systems.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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