Создан новый метод 3D-печати из графена

Точность изготовления деталей достигает сотых долей миллиметра.

Иллюстрация Virginia Tech.

Микрофотография структуры из графенового аэрогеля с разрешением 10 микрометров, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Иллюстрация Virginia Tech.

Учёные создали новую технологию трёхмерной печати изделий из графена. Она позволяет создавать объёмные конструкции с детализацией до 0,01 миллиметра. При этом сохраняется рекордная прочность исходного материала. Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Materials Horizons группой во главе с Маркусом Уорсли (Marcus Worsley) из Ливерморской национальной лаборатории США.

Трёхмерная печать – технология, которая может произвести переворот в производстве. 3D-принтеры позволяют создавать изделия самой замысловатой формы с высокой точностью исполнения и минимальными затратами материала. Со своей стороны революцию готовят и новые материалы, в частности, знаменитый графен. Его феноменальная прочность в сочетании с лёгкостью, прозрачностью и высокой тепло- и электропроводностью обеспечивает ему целый букет возможных применений, от добавок в асфальт до покрытия для имплантатов.

Однако объединить два этих выдающихся достижения и приспособить графен к трёхмерной печати не так просто. Напомним, что его уникальные свойства связаны с особым внутренним строением. Графен – это единичный слой из атомов углерода, объединённых в кристаллическую решётку с шестиугольными ячейками. Толщина этого слоя – один атом, то есть практически нуль по сравнению с его длиной и шириной. Поэтому графен относят к двумерным материалам.

Если уложить слои графена друг на друга, получится обыкновенный графит (собственно, графен впервые был получен в лаборатории при расслоении графита). Графит, из которого состоят, к примеру, стержни простых карандашей, — мягкий материал. Всё дело в том, что слои углеродных атомов слабо связаны друг с другом. Графит даже используют в качестве смазки. Понятно, что в качестве заменителя сверхпрочного графена в 3D-принтерах он не пригоден.

Другим решением может быть графеновый аэрогель. Это система из листов графена, пространство между которыми заполнено воздухом. Такой материал по прочности приближается к двумерному графену.

Микрофотография структуры из графенового аэрогеля с разрешением 10 микрометров, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Технология 3D-печати подобным аэрогелем уже не нова. Но до сих пор это делалось путём экструзии, то есть материал в виде густой пасты выдавливался через узкое отверстие и в таком виде слой за слоем наносился на будущую деталь. Однако этот метод позволяет создавать предметы лишь сравнительно простой формы. Кроме того, его разрешающая способность (то есть минимальный размер деталей) не превышает 0,1 миллиметра, что слишком мало для многих потенциальных приложений.

Новая технология выглядит иначе. Сначала учёные создают из оксида графена пористый гидрогель. Затем с помощью ультразвука гидрогель разрушается и в него внедряются жидкие светочувствительные акрилатные полимеры. Позднее лазерный луч "рисует" в материале запланированную структуру. Под действием излучения полимер затвердевает в нужных местах, образуя деталь требуемой формы (оксид графена при этом запечатывается в длинных полимерных цепях).

Затем этот "сплав" из полимера и оксида графена обжигают в печи при высокой температуре. Полимер под воздействием нагрева выгорает, оставляя лёгкий и чрезвычайно прочный графеновый аэрогель.

Как сообщается в пресс-релизе, подобным образом можно изготовить изделие практически любой формы. А разрешающая способность достигает 0,01 миллиметра, что на порядок выше, чем у стандартной технологии.

Напомним, что "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) ранее писали о "губчатых" версиях графена, а также о том, как этот материал армируют углеродными нанотрубками. Также мы рассказываем про самые важные прорывы в технологии объёмной печати, например, про самый быстрый 3D-принтер от российских учёных и "всеядный" 4D-принтер.