นักวิจัยพัฒนากระบวนการใหม่ในการพิมพ์ 3 มิติที่มีวัสดุที่แข็งแรงที่สุดในโลก

Anonim

นักวิจัยจากเวอร์จิเนียเทคและห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอว์เรนซ์ลิเวอร์โมร์ได้พัฒนาแนวทางใหม่ในการพิมพ์วัตถุที่มีความซับซ้อน 3 มิติของวัสดุที่มีประสิทธิภาพสูงสุดที่ใช้ในอุตสาหกรรมแบตเตอรี่และอวกาศ

ก่อนหน้านี้นักวิจัยสามารถพิมพ์ข้อมูลนี้ได้เท่านั้นเรียกว่า graphene ในแผ่นงาน 2 มิติหรือโครงสร้างพื้นฐาน แต่วิศวกรเวอร์จิเนียเทคได้ร่วมมือกันในโครงการที่ช่วยให้พวกเขาสามารถพิมพ์วัตถุ graphene แบบ 3 มิติที่มีความละเอียดสูงกว่าที่เคยเป็นมาก่อนซึ่งช่วยปลดล็อคความสามารถในการสร้างขนาดหรือรูปร่างของ graphene ในขนาดหรือรูปร่างใด ๆ

เนื่องจากความแข็งแรงของ graphene เป็นวัสดุที่แข็งแกร่งที่สุดที่เคยทดสอบบนโลกและความสามารถในการระบายความร้อนและกระแสไฟฟ้าที่สูงของวัตถุประเภท graphene แบบ 3 มิติจะเป็นที่ปรารถนาอย่างมากในบางอุตสาหกรรมรวมทั้งแบตเตอรี่อวกาศการแยกการจัดการความร้อนเซนเซอร์ และปฏิกิริยา

กราฟีนเป็นอะตอมของอะตอมคาร์บอนที่จัดอยู่ในตาข่ายหกเหลี่ยม เมื่อแผ่น graphene เรียงซ้อนกันอย่างเรียบร้อยที่ด้านบนและสร้างเป็นรูปสามมิติจะกลายเป็นแกรไฟต์ซึ่งเรียกกันว่า "lead" ในดินสอ

เนื่องจากแกรไฟต์เป็น graphene เพียงอย่างเดียวจึงมีสมบัติเชิงกลที่ค่อนข้างแย่ แต่ถ้าแผ่น graphene ถูกแยกออกจากรูขุมขนที่เต็มไปด้วยอากาศโครงสร้างสามมิติสามารถรักษาสมบัติของมันได้ โครงสร้าง graphene มีรูพรุนนี้เรียกว่า graphene airgel

"นักออกแบบสามารถออกแบบโทโพโลยีสามมิติที่ประกอบด้วยแผ่น graphene ที่เชื่อมต่อกันได้" Xiaoyu "Rayne" Zheng ผู้ช่วยศาสตราจารย์ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลในวิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์และผู้อำนวยการ Advanced Manufacturing and Metamaterials Lab กล่าว " "การออกแบบใหม่นี้และความเป็นอิสระในการผลิตจะนำไปสู่การเพิ่มประสิทธิภาพของความแข็งแรงการนำไฟฟ้ามวลขนส่งความแข็งแรงและความหนาแน่นของน้ำหนักที่ไม่สามารถทำได้ใน graphene aerogels"

นอกจากนี้เจิ้งเหอยังเป็นสมาชิกของสถาบันนวัตกรรม Macromolecules ได้รับเงินช่วยเหลือในการศึกษาวัสดุนาโนและปรับขนาดให้เหมาะสมกับวัสดุที่มีน้ำหนักเบาและมีประโยชน์สำหรับการใช้งานในอวกาศยานยนต์และแบตเตอรี่

ก่อนหน้านี้นักวิจัยสามารถพิมพ์ graphene โดยใช้กระบวนการรีดขึ้นรูปการบีบยาสีฟันเช่นเทคนิคที่สามารถสร้างวัตถุง่ายๆที่ซ้อนกันอยู่ด้านบนของตัวเอง

"ด้วยเทคนิคดังกล่าวมีโครงสร้าง จำกัด ที่คุณสามารถสร้างได้เนื่องจากไม่มีการสนับสนุนและความละเอียดค่อนข้าง จำกัด ดังนั้นคุณจึงไม่สามารถรับปัจจัยที่เป็นอิสระได้" เจิ้งเหอกล่าว "สิ่งที่เราทำคือการทำให้ชั้น graphene เหล่านี้ถูกจัดวางไว้เป็นรูปทรงที่คุณต้องการด้วยความละเอียดสูง"

โครงการนี้เริ่มขึ้นเมื่อสามปีที่ผ่านมาเมื่อ Ryan Hensleigh ผู้เขียนนำบทความและตอนนี้เป็นปีที่สามวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมระดับโมเลกุล นักเรียนเริ่มฝึกงานที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Livermore ในลิเวอร์โมร์แคลิฟอร์เนีย Hensleigh เริ่มทำงานร่วมกับเจิ้งเหอซึ่งเป็นสมาชิกของทีมงานด้านเทคนิคของ Lawrence Livermore National Laboratory เมื่อ Zheng เข้าร่วมคณาจารย์ที่ Virginia Tech ในปีพ. ศ. 2516 Hensleigh ได้ติดตามและศึกษาต่อโครงการนี้

เพื่อสร้างโครงสร้างที่ซับซ้อนเหล่านี้ Hensleigh เริ่มต้นด้วย graphene oxide ซึ่งเป็นสารตั้งต้นของ graphene เชื่อมขวางแผ่นเพื่อสร้างไฮโดรเจลที่มีรูพรุน การแบ่งไฮโดรเจนออกไซด์ออกไซด์ด้วยอัลตราซาวนด์และการเพิ่มอะคริเลตไวแสงไวแอนเฮสเซิลสามารถใช้ฉายสเกลหินเพื่อการฉายภาพเพื่อสร้างโครงสร้าง 3 มิติแบบทึบที่ต้องการด้วยกราฟีนอ๊อกไซด์ที่ติดอยู่ในโซ่ยาวของอะครีเลตโพลิเมอร์ ในที่สุดเฮ็นสเลห์จะวางโครงสร้าง 3 มิติไว้ในเตาเผาเพื่อเผาไหม้โพลีเมอร์และฟิวส์วัตถุด้วยกันทิ้งไว้เบื้องหลังอากาศที่บริสุทธิ์และมีน้ำหนักเบาของ graphene airgel

Hensleigh กล่าวว่า "นี่เป็นความก้าวหน้าที่สำคัญเมื่อเทียบกับสิ่งที่ได้ทำไป "เราสามารถเข้าถึงโครงสร้างที่ต้องการได้สวยมาก ๆ ที่คุณต้องการ" การค้นพบที่สำคัญของงานวิจัยฉบับนี้ซึ่งตีพิมพ์เมื่อเร็ว ๆ นี้กับผู้ทำงานร่วมกันที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Livermore ในวารสาร Materials Horizons ระบุว่านักวิจัยสร้างโครงสร้าง graphene ด้วยความละเอียดเพื่อให้ได้ขนาดที่ละเอียดกว่าที่เคยพิมพ์มา Hensleigh กล่าวว่ากระบวนการอื่น ๆ สามารถพิมพ์ได้ถึง 100 microns แต่เทคนิคใหม่นี้ช่วยให้เขาสามารถพิมพ์ลงไปที่ความละเอียด 10 ไมครอนซึ่งเข้าใกล้ขนาดของแผ่น graphene จริง

"เราสามารถแสดงให้คุณเห็นว่าสามารถสร้างสถาปัตยกรรมสามมิติที่มีความซับซ้อนของกราฟีนในขณะที่ยังคงรักษาคุณสมบัติที่สำคัญบางประการไว้ได้" เจิ้งเหอกล่าว "โดยปกติเมื่อคุณพยายามพิมพ์ graphene 3 มิติหรือเพิ่มขนาดคุณจะสูญเสียสมบัติเชิงกลที่ร่ำรวยที่สุดที่พบในรูปแบบแผ่นเดียว"

menu
menu