Les chercheurs développent un procédé innovant pour imprimer en 3D l'un des matériaux les plus solides sur terre

Anonim

Des chercheurs du laboratoire national de Virginia Tech et de Lawrence Livermore ont mis au point une nouvelle méthode pour imprimer des objets complexes en trois dimensions de l’un des matériaux les plus performants utilisés dans les industries de la batterie et de l’aérospatiale.

Auparavant, les chercheurs ne pouvaient imprimer que ce matériau, appelé graphène, dans des feuilles 2D ou des structures de base. Mais les ingénieurs de Virginia Tech ont maintenant collaboré à un projet leur permettant d’imprimer en 3D des objets en graphène avec une résolution d’un ordre de grandeur supérieur à l’impression, ce qui permet de créer en théorie toute forme ou taille de graphène.

En raison de sa robustesse - le graphène est l’un des matériaux les plus solides jamais testés sur Terre - et sa conductivité thermique et électrique élevée, les objets en graphène imprimé en 3D seraient très convoités dans certaines industries, notamment les batteries, l’aérospatiale, la séparation, la gestion thermique et les capteurs. et catalyse.

Le graphène est une seule couche d'atomes de carbone organisée en un réseau hexagonal. Lorsque les feuilles de graphène sont parfaitement empilées et formées en trois dimensions, elles deviennent du graphite, communément appelé «plomb» dans les crayons.

Le graphite étant simplement constitué de graphène, il présente des propriétés mécaniques assez médiocres. Mais si les feuilles de graphène sont séparées avec des pores remplis d'air, la structure tridimensionnelle peut conserver ses propriétés. Cette structure de graphène poreuse est appelée aérogel de graphène.

"Désormais, un concepteur peut concevoir une topologie en trois dimensions composée de feuilles de graphène interconnectées", a déclaré Xiaoyu "Rayne" Zheng, professeur adjoint au Département de génie mécanique du Collège d'ingénieurs et directeur du laboratoire de fabrication et de métamatériaux. "Cette nouvelle conception et cette liberté de fabrication permettront d’optimiser la résistance, la conductivité, le transport de masse, la résistance et la masse volumique qui ne sont pas réalisables dans les aérogels de graphène."

Zheng, également membre du corps enseignant affilié au Macromolecules Innovation Institute, a reçu des subventions pour étudier des matériaux à l'échelle nanométrique et les transformer en matériaux légers et fonctionnels pour des applications dans l'aérospatiale, l'automobile et les batteries.

Auparavant, les chercheurs pouvaient imprimer du graphène en utilisant un processus d'extrusion, un peu comme presser du dentifrice, mais cette technique ne pouvait créer que des objets simples empilés sur elle-même.

"Avec cette technique, il y a des structures très limitées que vous pouvez créer car il n'y a pas de support et la résolution est assez limitée, donc vous ne pouvez pas obtenir de facteurs de forme libre", a déclaré Zheng. "Nous avons fait en sorte que ces couches de graphène soient architecturées dans la forme que vous voulez avec une haute résolution."

Ce projet a débuté il y a trois ans lorsque Ryan Hensleigh, auteur principal de l'article et maintenant doctorant en troisième année en sciences macromoléculaires et en génie. étudiant, a commencé un stage au laboratoire national Lawrence Livermore à Livermore, en Californie. Hensleigh a commencé à travailler avec Zheng, qui était alors membre du personnel technique du laboratoire national Lawrence Livermore. Lorsque Zheng a rejoint la faculté de Virginia Tech en 2016, Hensleigh a suivi ses études et a continué à travailler sur ce projet.

Pour créer ces structures complexes, Hensleigh a commencé avec l'oxyde de graphène, un précurseur du graphène, en réticulant les feuilles pour former un hydrogel poreux. En cassant l'hydrogel d'oxyde de graphène avec des ultrasons et en ajoutant des polymères d'acrylate sensibles à la lumière, Hensleigh pourrait utiliser la micro-stéréolithographie par projection pour créer la structure 3D solide désirée avec l'oxyde de graphène piégé dans les longues chaînes rigides du polymère acrylate. Enfin, Hensleigh placera la structure 3-D dans un four pour brûler les polymères et fusionner l'objet, laissant un aérogel de graphène pur et léger.

"C'est une avancée significative par rapport à ce qui a été fait", a déclaré Hensleigh. "Nous pouvons accéder à pratiquement toutes les structures souhaitées." La principale conclusion de ce travail, récemment publié avec des collaborateurs du Lawrence Livermore National Laboratory dans la revue Materials Horizons, est que les chercheurs ont créé des structures de graphène avec une résolution d’un ordre de grandeur plus précis que jamais. Hensleigh a déclaré que d'autres processus pouvaient imprimer jusqu'à 100 microns, mais la nouvelle technique lui permet d'imprimer jusqu'à 10 microns de résolution, ce qui se rapproche de la taille des feuilles de graphène réelles.

"Nous avons pu montrer que vous pouviez créer une architecture tridimensionnelle complexe de graphène tout en préservant certaines de ses propriétés intrinsèques", a déclaré Zheng. "Habituellement, lorsque vous essayez d’imprimer en 3-D du graphène ou de l’intensifier, vous perdez la plupart de ses propriétés mécaniques lucratives dans sa forme de feuille simple."

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