Investigadores de Virginia Tech y Lawrence Livermore National Laboratory han desarrollado una forma novedosa de imprimir en 3D objetos complejos de uno de los materiales de mayor rendimiento utilizados en las industrias de baterías y aeroespaciales.
Anteriormente, los investigadores solo podían imprimir este material, conocido como grafeno, en hojas 2D o estructuras básicas. Pero los ingenieros de Virginia Tech ahora han colaborado en un proyecto que les permite imprimir objetos de grafeno en 3D con una resolución de un orden de magnitud mayor que nuncaantes de imprimir, lo que desbloquea la capacidad de crear teóricamente cualquier tamaño o forma de grafeno.
Debido a su resistencia, el grafeno es uno de los materiales más fuertes jamás probados en la Tierra, y su alta conductividad térmica y eléctrica, los objetos de grafeno impresos en 3D serían muy codiciados en ciertas industrias, incluidas las baterías, la industria aeroespacial, la separación, la gestión del calor, sensores y catálisis.
El grafeno es una sola capa de átomos de carbono organizada en una red hexagonal. Cuando las hojas de grafeno se apilan cuidadosamente una encima de la otra y se forman en una forma tridimensional, se convierte en grafito, comúnmente conocido como el "plomo" en los lápices.
Debido a que el grafito es simplemente grafeno empaquetado, tiene propiedades mecánicas bastante pobres. Pero si las láminas de grafeno se separan con poros llenos de aire, la estructura tridimensional puede mantener sus propiedades. Esta estructura de grafeno poroso se llama aerogel de grafeno.
"Ahora un diseñador puede diseñar una topología tridimensional compuesta de láminas de grafeno interconectadas", dijo Xiaoyu "Rayne" Zheng, profesor asistente del Departamento de Ingeniería Mecánica en la Facultad de Ingeniería y director del Laboratorio de Fabricación Avanzada y Metamateriales ".Este nuevo diseño y libertad de fabricación conducirá a la optimización de la resistencia, la conductividad, el transporte de masa, la resistencia y la densidad de peso que no se pueden lograr en aerogeles de grafeno ".
Zheng, también miembro afiliado de la facultad del Instituto de Innovación Macromolecules, ha recibido subvenciones para estudiar materiales a nanoescala y escalarlos a materiales livianos y funcionales para aplicaciones en aeroespacial, automóviles y baterías.
Anteriormente, los investigadores podían imprimir grafeno usando un proceso de extrusión, algo así como exprimir la pasta de dientes, pero esa técnica solo podía crear objetos simples que se apilaban encima de sí mismos.
"Con esa técnica, hay estructuras muy limitadas que puedes crear porque no hay soporte y la resolución es bastante limitada, por lo que no puedes obtener factores de forma libre", dijo Zheng. "Lo que hicimos fue lograr que estas capas de grafeno fuerandiseñado en cualquier forma que desee con alta resolución "
Este proyecto comenzó hace tres años cuando Ryan Hensleigh, autor principal del artículo y ahora estudiante de doctorado en ciencias e ingeniería macromolecular de tercer año, comenzó una pasantía en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en Livermore, California. Hensleigh comenzó a trabajarcon Zheng, quien era miembro del personal técnico en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. Cuando Zheng se unió a la facultad de Virginia Tech en 2016, Hensleigh siguió como estudiante y continuó trabajando en este proyecto.
Para crear estas estructuras complejas, Hensleigh comenzó con óxido de grafeno, un precursor del grafeno, reticulando las láminas para formar un hidrogel poroso. Rompiendo el hidrogel de óxido de grafeno con ultrasonido y agregando polímeros de acrilato sensibles a la luz, Hensleigh podría usar micro-estereolitografía de proyecciónpara crear la estructura 3D sólida deseada con el óxido de grafeno atrapado en las largas y rígidas cadenas de polímero de acrilato. Finalmente, Hensleigh colocaría la estructura 3D en un horno para quemar los polímeros y fusionar el objeto, dejando un material puro y livianoaerogel de grafeno.
"Es un avance significativo en comparación con lo que se ha hecho", dijo Hensleigh. "Podemos acceder a casi cualquier estructura deseada que desee". El hallazgo clave de este trabajo, que se publicó recientemente con colaboradores en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en eldiario Horizontes de materiales , es que los investigadores crearon estructuras de grafeno con una resolución un orden de magnitud más fina que nunca. Hensleigh dijo que otros procesos podrían imprimir hasta 100 micrones, pero la nueva técnica le permite imprimir hasta 10 micrones en resolución, lo que se aproximael tamaño de las hojas de grafeno reales
"Hemos podido mostrarle que puede hacer una arquitectura tridimensional compleja de grafeno mientras conserva algunas de sus propiedades primarias intrínsecas", dijo Zheng. "Por lo general, cuando intenta imprimir en 3D grafeno o escalar, ustedperder la mayoría de sus propiedades mecánicas lucrativas que se encuentran en su forma de hoja única ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Virginia Tech . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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