Графен – революционный материал XXI столетия. Это самый прочный, самый легкий и электропроводящий вариант углеродного соединения, которому сулят главную роль в новой технической революции. Ряд тестов показал, что графен в 100 раз прочнее металла, он же намного лучше проводит тепло и электрический ток. Но есть одно «но»: двумерный кристалл тяжело производить в большом объеме. По крайней мере, так было до недавнего времени.
Ученые из Тяньцзиньского университета объединили усилия с научными сотрудниками университета Райса (г. Хьюстон), и с помощью объемной печати рабочей группе удалось получить сантиметровые куски графена. Результаты исследования зафиксированы в документе «Трехмерные печатные графеновые пены». Сами специалисты предполагают, что проведенная работа может послужить основой для алгоритма по производству углеродного соединения в промышленных масштабах.
«Наше исследование является первым в своем роде. Нам удалось продемонстрировать, как создать 3-мерную графеновую пену из материалов, которые имеют мало общего с этой модификацией углерода. Этот способ подвергается масштабированию для разработки графеновых пен с контролем размера пор, что может быть применено в различных задачах аддитивного производства», – рассказывает соавтор исследования, химик университета Райса Джеймс Тур.
В 2016 году группа специалистов из лаборатории Тура изготавливала революционный материал с помощью никеля, лазера и сахарной пудры. В этом году исследователи развили свои опыты и тесты, усиливая графеновую пену углеродными нанотрубками. Добытый таким образом кристалл назвали армированным графеном. Сохраняя исходную форму, материал способен выдерживать вес, в 3 000 раз превышающий его собственный. Сложнее всего было создать требуемую объемную форму для графена: для этого пришлось прибегнуть к процессу химического осаждения из газовой фазы при 1 000 ºC с последующим 3-часовым нагревом и охлаждением.
Сейчас лаборатория Тура совместно с двумя другими лабораториями из Тяньцзиньского университета и университета Райса переходят к методам аддитивного производства. Используя все те же никель и сахарную пудру, исследователи адаптировали технологию 3d-печати для создания небольших блоков графеновой пены. Однако теперь процесс можно проводить при комнатной температуре, и никакие формы больше не требуются.
«Этот простой и эффективный метод исключает необходимость как холодной штамповки пресс-форм, так и высокотемпературного химического осаждения из газовой фазы. С помощью 3д-принтера мы должны производить определенный вид графеновой пены, например, армированного, абсорбированного или легированного азотом и серой графена», – делится планами один из авторов проекта Джунвей Ша.
Для расплавления сахара исследователи использовали углекислотный лазер, а никель выступил в роли катализатора, ускоряя процесс образования графена после охлаждения смеси. Чтобы максимизировать производство углеродного соединения, ученые провели целый ряд испытаний, в ходе которых были определены оптимальное время работы и мощность лазера. В результате удалось получить легкий материал с малой плотностью и большими порами, покрывающими 99% его объема.
Соавтор работы, аспирант университета Райса Илун Ли уверен, что объемные графеновые пены, изготовленные по их методу, найдут свое применение там, где требуется быстрое прототипирование и производство углеродных 3d-материалов.
Интересно, что несколькими неделями ранее исследователи из Харбинского политехнического института совместно с Министерством образования Китая предложили способ получения новых материалов для объемной печати путем «вживления» оксида графена в геополимер.
