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Estructura de grafeno impresa en 3D con la mínima densidad habilitada por una nueva técnica

Estructura de grafeno impresa en 3D con la mínima densidad habilitada por una nueva técnica
Tiempo de Publicación:2017-07-10
Con un átomo de grosor, el grafeno es el material más liviano y fuerte del mundo. Aprovechar su poder, sin embargo, no ha sido fácil, ya que no es un proceso simple para manipular el material más duro del mundo. La fabricación aditiva (AM) puede contener la respuesta.

Varios investigadores están trabajando actualmente para encontrar formas de imprimir en 3D el "material de la maravilla", como a veces se lo denomina, de manera que mantenga sus propiedades físicas deseadas. La mayoría de los métodos implican el procesamiento de grafeno como un aerogel, que finalmente reduce la cantidad de grafeno en la composición final a solo un 20 por ciento aproximadamente.

Un cuadro de grafito aerogel impreso en 3D, tan liviano que puede apoyarse en un awn individual de trigo sin doblarlo. La impresión fue realizada por ingenieros de la Universidad Estatal de Kansas, la Universidad de Buffalo y la Universidad de Lanzhou en China.

Un cuadro de grafito aerogel impreso en 3D, tan liviano que puede apoyarse en un awn individual de trigo sin doblarlo. La impresión fue realizada por ingenieros de la Universidad Estatal de Kansas, la Universidad de Buffalo y la Universidad de Lanzhou en China.
En la Universidad de Buffalo, se ha desarrollado un nuevo proceso que mantiene las propiedades físicas del grafeno y permite la impresión 3D de estructuras en macroescala. De hecho, las partes impresas con el proceso han sido dobladas por Guinness World Records como la "estructura impresa en 3D menos densa" que se haya fabricado.

Impresión en 3D con grafeno
Para entender qué hace que el método de Zhou sea tan único, es importante entender por qué la impresión 3D del grafeno ha sido tan difícil tradicionalmente. Zhou explicó que, hasta hace poco, ha sido una cuestión de vincular el material capa por capa.

 
"La principal dificultad de imprimir grafeno es causada por la compleja morfología del grafeno y el mecanismo de formación de material no trivial", dijo Zhou. "Es muy desafiante, si no imposible, ensamblar las láminas de grafeno en 2D por fusión térmica, fotocurado, unión química como se usa típicamente en las tecnologías tradicionales de impresión en 3D".

Las investigaciones previas incluyeron trabajos del Imperial College London y del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). El equipo Imperial College de Londres imprime en 3D con óxido de grafeno combinado con un polímero receptivo para extruir el material en forma de pasta.

Grafeno congelado
Sin embargo, el grupo de Zhou -que también incluía a Dong Lin de la Universidad Estatal de Kansas y Qiangqiang Zhang de la Universidad de Lanzhou en China- adoptó un enfoque diferente. El equipo modificó una impresora 3D de fabricación de filamentos fusionados de código abierto para usar un cabezal de impresión de inyección de tinta, en lugar de un cabezal de extrusión, para depositar una mezcla de óxido de grafeno y agua en un congelador en una placa fría a -20 ° C.

Las bajas temperaturas ayudan al objeto a mantener su forma y, a medida que crecen los cristales de hielo, exprimen las láminas de grafeno que componen cada capa en una red tridimensional. Al imprimir, la estructura se liofiliza, lo que hace que el hielo se evapore y deje solo un grafeno aerogel.

Este proceso, conocido como congelamiento de fundición, a veces se usa en cerámica. El agua se solidifica de manera anisotrópica y, cuando se combina con otro material, como partículas cerámicas, en una suspensión, es posible controlar la temperatura de forma direccional. Los cristales de hielo se forman en un lado y se extienden a través de un gradiente de temperatura en el material, redistribuyendo las partículas de la mezcla en el proceso.

"El resultado final es el aerogel de grafeno, un material poroso y superligero en el que la parte líquida del gel se reemplaza por aire, lo que le permite conservar su forma a temperatura ambiente", dijo Zhou. "El proceso ha demostrado ser muy eficaz y exitoso. Uno de los bloques en el camino es la gestión térmica adecuada, que es la clave del rendimiento del proceso (confiabilidad, resolución e integridad) ".