Am 14. Dezember haben Forscher des Instituts für Keramik und Glas (ICV) und des Instituts für Mikroelektronik und Nanowissenschaften der Universität Aix-Marseille in Spanien 3D-gedruckte Graphenoxid-Gerüste als Basis für leichte Hybridstrukturen verwendet. Die Struktur behält viele der idealen Eigenschaften von Graphen, einschließlich der elektrischen Leitfähigkeit und der Wasseradsorptionskapazität.

Forscher infiltrierten Graphenoxid-Gerüste mit Alkoxid-Vorläuferlösungen, um Hybridstrukturen herzustellen, die potenzielle Anwendbarkeit zeigen, wie zum Beispiel Schadstoffentfernung, Wasserfiltration, Katalyse, Wirkstoffabgabe sowie Energieerzeugung und -speicherung.

Einschränkungen des 3D-Drucks von Graphen

Graphen ist ein Allotrop von Kohlenstoff und hat sich in der Forschung zur Energieerzeugung und Mikroelektronik sowie in der Entwicklung neuer Technologien wie Biomedizin und Sensorik zu einem gängigen Element entwickelt. Die leichten Eigenschaften, die hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie die mechanische Festigkeit des Materials sind sehr erwünscht. Obwohl ein Großteil des Potenzials von Graphen aus dem Einsatz des Materials in einer einzigen Schicht stammt, steht die Verwendung von Graphen für den 3D-Druck noch vor großen Herausforderungen.

Forscher der Virginia Tech und des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) entwickeln jedoch ein hochauflösendes 3D-Druckverfahren (in dem Graphen in einem Gel dispergiert wird, um ein 3D-druckbares Harz herzustellen). Danach wurden weitere Maßnahmen ergriffen, um das Potenzial von Graphen auszuschöpfen . LLNL arbeitete auch mit einem Team der University of California, Santa Cruz, zusammen, um die 3D-Drucktechnologie für graphenbasierte Aerogel-Elektroden in Energiespeichern zu untersuchen.

Graphen wird auch verwendet, um 3D-gedruckte selbstinduzierende Rüstungen herzustellen und Transportnetze zu modernisieren. An anderer Stelle zeigen neue Forschungen, wie sich die Struktur von Wasser ändert, wenn es mit der Graphenoberfläche in Kontakt kommt.

Vor kurzem haben Forscher des Additive Manufacturing Center der University of Nottingham einen Durchbruch bei der Verwendung von graphenbasierten elektronischen Geräten für den 3D-Druck erzielt und eine tintenstrahlbasierte 3D-Drucktechnologie entwickelt, die den Weg für den Ersatz von einschichtigem Graphen ebnen kann als Kontaktmaterial. der Weg. 2D-Metallhalbleiter.

Erstellen einer Graphenoxid-Siliciumdioxid-Struktur

Graphenoxid gilt als praktikabler Baustein zur Herstellung von 3D-verbundenen Leichtbaustrukturen mit hoher Porosität, Leitfähigkeit, Flexibilität und großer Oberfläche. Die Wissenschaftler wollen einige der Mängel von Graphenoxid beheben, wie beispielsweise seine mechanische Schwäche und seine Anfälligkeit für Flammenschäden, indem sie andere Materialien an der 3D-Graphenstruktur verankern, um Hybridmaterialien oder Verbundmaterialien zu bilden.

Zunächst verwendeten die Forscher wasserbasierte Tinte, die aus Graphenoxid-Nanoblättern hergestellt wurde, das automatische Dreiachsen-Gießsystem von 3-D Inks LLC und die RoboCAD-Software, um das 3D-gedruckte Graphenoxid-Gerüst in 3D zu drucken. Der Stent wurde mit einer Nadel mit einem Durchmesser von 410 µm in ein rechteckiges Parallelepiped aus 16 Lagen gleichmäßig verteilter Stäbchen gedruckt, die im rechten Winkel zu den benachbarten Lagen platziert wurden.

Anschließend wird die Struktur 10 Sekunden in flüssigem Stickstoff gefroren, dann gefriergetrocknet (gefriergetrocknet) und in einem Graphitofen bei 1200 Grad Celsius verarbeitet, um die Reduktion von Graphenoxid zu verstärken und dadurch einzufrieren. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Größe der 3D-gedruckten Graphenoxidstruktur 12 x 12 x 5 mm.

Der nächste Schritt besteht darin, das Graphenoxid-Gerüst durch einen sogenannten Sol-Gel-Weg zu durchdringen, der die Vernetzung von Niedertemperaturgel mit Ammoniakdampf beinhaltet.

Es wurden zwei Lösungen hergestellt, die Tetraethylorthosilicat, Ethanol, entionisiertes Wasser und Salzsäure enthielten, die als SiO 2 -Sol (Silica) bzw. SiAl-Sol (Silica-Aluminiumoxid) bezeichnet wurden. Der Graphenoxidhalter wurde fünf Minuten lang in jedes Sol in einem luftdichten Behälter halb eingetaucht und dann auf einer stationären Plattform direkt über der Flüssigkeitsoberfläche platziert. Die Probe wurde 24 Stunden bei Raumtemperatur gelagert, um eine verlängerte Kondensation und Steifheit der imprägnierten Struktur durch Ammoniakkatalyse zu bewirken. Anschließend wurde der Stent mit Ethanol gewaschen, um jegliche Dampfrückstände zu entfernen.

Vergleichen Sie rasterelektronenmikroskopische (REM) Bilder verschiedener Materialien. (A) Ursprüngliches Graphenoxid-Gerüst, (be) Graphenoxid-Siliciumdioxid-Struktur. Das Bild stammt aus dem "Journal of the European Ceramic Society". Ergebnisse und Anwendungsmöglichkeiten Forscher haben herausgefunden, dass die 3D-gedruckte Graphenoxid-Silica-Struktur im Vergleich zu unbehandelten Graphenoxid-Gerüsten eine hohe Porosität beibehält, während ihre Druckfestigkeit um 250-800% erhöht wird. Die Hybridstruktur behält auch eine "signifikante Leitfähigkeit", aber die Hauptverbesserung spiegelt sich in der Hydrophilie der Struktur wider. Es wird beobachtet, dass die Bedeckung des Gerüsts auf der Basis von superfeiner Kieselsäure einen wichtigen Einfluss auf die Benetzungseigenschaften der Struktur hat. Im Vergleich zum unbehandelten Graphenoxid-Gerüst wird die Struktur vollständig hydrophil und die Wasseraufnahmekapazität wird um das Zehnfache erhöht. Die verbesserten Eigenschaften der Graphenoxid-Siliciumdioxid-Struktur weisen darauf hin, dass sie zur Verwendung als Absorptionsmittel, Schadstoffentfernung, Gaserfassung, Wärmespeicherung oder Verwendung in photokatalytischen Wasserspaltungsanwendungen geeignet sein können.

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