Nuovo processo per la stampa 3D con grafene

I ricercatori dell'università americana Virginia Tech e del Lawrence Livermore National Laboratory hanno sviluppato un nuovo modo di stampare in 3D oggetti complessi in grafene.

In precedenza i ricercatori potevano stampare solo questo materiale in fogli 2D o con strutture elementari. Gli ingegneri di Virginia Tech hanno collaborato a un progetto che consente loro di stampare in 3D oggetti in grafene con una risoluzione mai vista prima, che sblocca la possibilità di creare teoricamente qualsiasi dimensione o forma.

Oggetti stampati in 3D in grafene sarebbero molto ambiti da alcune industrie, su tutte quella aerospaziale per via delle sue caratteristiche: resistenza, conduttività termica ed elettrica.

Il grafene è un singolo strato di atomi di carbonio organizzati in un reticolo esagonale. Quando le sue lastre sono ordinatamente impilate l'una sull'altra e formate in una forma tridimensionale, diventano grafite.

La grafite è semplicemente un grafene compatto e ha proprietà meccaniche piuttosto scadenti. Ma se i fogli sono separati con pori riempiti d'aria, la struttura tridimensionale può mantenere le sue proprietà. Questa struttura porosa è chiamata aerogel di grafene.

Grazie al metodo elaborato dai ricercatori di Virginia Tech e del Lawrence Livermore National Laboratory si può progettare una topologia tridimensionale composta da fogli di grafene interconnessi e come ha affermato Xiaoyu Zheng, assistente presso il Dipartimento di ingegneria meccanica nel College of Engineering e direttore del Laboratorio di produzione avanzata e Metamateriali, "questo nuovo modo di disegnare gli oggetti porterà all'ottimizzazione della forza, della conduttività, del trasporto di massa, della forza e della densità di peso che non sono ottenibili negli aerogel di grafene".

Zheng, che è anche membro della facoltà affiliata al Macromolecules Innovation Institute, ha ricevuto sovvenzioni per studiare materiali su scala nanometrica e adattarli a materiali leggeri e funzionali per applicazioni nell'industria aerospaziale, automobilistica e delle batterie.

In precedenza i ricercatori potevano stampare il grafene usando un processo di estrusione, ma con questa tecnica si poteva creare solamente oggetti semplici.

"Con questa tecnica si possono creare strutture molto limitate perché non c'è supporto e la risoluzione è piuttosto limitata, quindi non si possono ottenere forme libere - ha detto Zheng -. Quello che abbiamo fatto è stato consentire di usare questi livelli di grafene per in qualsiasi forma che si desidera con alta risoluzione".

Questo progetto è iniziato tre anni fa quando Ryan Hensleigh, autore principale dell'articolo e ora dottore in scienza e ingegneria macromolecolare, da studente del terzo anno iniziò uno stage presso il Lawrence Livermore National Laboratory a Livermore, in California.

Hensleigh ha iniziato a lavorare con Zheng, che era poi membro dello staff tecnico del Lawrence Livermore National Laboratory. Quando Zheng si è unito alla facoltà di Virginia Tech nel 2016, Hensleigh ha seguito come studente e ha continuato a lavorare a questo progetto.

Per creare queste strutture complesse, Hensleigh ha iniziato con l'ossido di grafene, un precursore del grafene, reticolando i fogli per formare un idrogel poroso.

Rompendo l'idrogel di ossido di grafene con ultrasuoni e aggiungendo polimeri acrilici sensibili alla luce, Hensleigh ha utilizzato la micro-stereolitografia a proiezione per creare la struttura 3D solida desiderata con l'ossido di grafene intrappolato nelle lunghe catene rigide di polimero acrilato.

Infine ha posizionato la struttura 3D in una fornace per bruciare i polimeri e fondere insieme l'oggetto, lasciandosi dietro un aerogel di grafene puro e leggero.

"È una svolta significativa rispetto a ciò che è stato fatto -ha detto Hensleigh - Possiamo accedere praticamente a qualsiasi struttura".

La scoperta chiave di questo lavoro, che è stata recentemente pubblicata con i collaboratori del Lawrence Livermore National Laboratory nella rivista Materials Horizons, è che i ricercatori hanno creato strutture di grafene con una risoluzione stampaste in 3D di un ordine di grandezza più fine che mai.

Insieme a Hensleigh e Zheng coautori della ricerca sono Huachen Cui, uno studente di dottorato nel laboratorio di Zheng, e sei persone del Lawrence Livermore National Laboratory - James Oakdale, Jianchao Ye, Patrick Campbell, Eric Duoss, Christopher Spadaccini e Marcus Worsley. Zheng e Hensleigh sono finanziati da un Air Force Young Investigator Award (Dr. Jaimie S. Tiley) e dalla National Science Foundation.

Hensleigh ha detto che altri processi potrebbero stampare fino a 100 micrometri, ma la nuova tecnica gli consente di stampare fino a 10 micrometri di risoluzione, che si avvicina alle dimensioni dei fogli di grafene reali.

"Siamo stati in grado di dimostrare che è possibile creare un'architettura tridimensionale complessa di grafene pur conservando alcune delle sue intrinseche proprietà primarie - ha affermato Zheng - . Di solito quando provi a stampare in 3D,perdi la maggior parte delle proprietà meccaniche trovate nella sua forma a foglio singolo".

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