Druk 3D z grafenu - czy jest to możliwe?

Druk 3D z grafenu - czy jest to możliwe?

W miarę mnożenia się odkryć, związanych z zastosowaniami grafenu, wielu zastanawia się nad tym, czy można z niego stworzyć materiał do druku 3D? I tu nasuwa się pytanie, czy jest to możliwe?

 

Próbka płatków grafenu.
Próbka płatków grafenu. Źródło: Graphenea

Czy możliwe jest drukowanie z grafenu na drukarkach 3D? Krótka odpowiedź brzmi: nie do końca. 

Grafen to czysty węgiel, podobnie jak np. grafit. Więc co jest w nim takiego specjalnego i obiecującego? Grafen występuje jako pojedyncza warstwa atomów węgla, połączonych ze sobą w strukturę przypominającą plaster miodu. Wiązanie jest niezwykle mocne, ale bardzo lekkie. W rzeczywistości naukowcy twierdzą, że grafen jest 10 razy mocniejszy niż diament i 100 razy mocniejszy niż stal.

Oprócz imponującej wytrzymałości i lekkości, grafen przewodzi prąd elektryczny. Oznacza to, że grafen ma ogromny potencjał, aby zastąpić krzem we wszystkich naszych urządzeniach elektronicznych. Eksperci zauważyli również ogromny potencjał grafenu w produkcji elastycznych wyświetlaczy, ponieważ jest on elastyczny, przezroczysty oraz przewodzi prąd.

Jednak ponieważ wiązania atomowe są tylko w kierunku bocznym, może istnieć tylko w 2D. Kiedy kilka warstw grafenu zostanie ułożonych jedna na drugiej, otrzymamy grafit, który ma stosunkowo słabe właściwości. Oznacza to, że drukowanie w 3D czystego grafenu jest niemożliwe. Struktura 3D jest możliwa tylko wtedy, gdy grafen jest zmieszany ze spoiwem.

Niemniej jednak grafen jest obiecującym materiałem, o ogromnym potencjale do zrewolucjonizowania branży. Przyjrzyjmy się dokładniej obecnym innowacyjnym procesom w druku 3D z grafenu.

FDM

Grafen drukowany w 3D jest jak drukowanie w 3D kawałka papieru.
Grafen drukowany w 3D jest jak drukowanie w 3D kawałka papieru. Źródło: Imperial College London / YouTube

Zespół badawczy z Wydziału Materiałów Imperial College London opracował rozwiązanie, które umożliwia tworzenie obiektów 3D z kompozytów grafen-polimer.

Ich metoda oparta jest na druku 3D FDM i wykorzystuje specjalny filament, składający się z polimeru i płatków grafenu. Płatki grafenu nadają niesamowite właściwości, podczas gdy polimer umożliwia łączenie warstw i tworzenie trójwymiarowych obiektów.

Ich badania wykazały, że aby część miała odpowiednie właściwości grafenu, obiekt po wydrukowaniu w 3D, musi zostać wystawiony na działanie wysokich temperatur. To kształtuje ostatecznie właściwości wydruku. 

Do tej pory zespół badawczy odniósł sukces, ale ponieważ jest to dość nowy projekt, technologia ta nadal nie jest w stanie drukować bardzo precyzyjnych lub dużych obiektów. Niezależnie od tego, jest to z pewnością ogromny krok naprzód w badaniach nad drukiem 3D z grafenu.

SLA

Aerożel grafenowy to kompozyt grafenowy, który można wyprodukować za pomocą druku 3D SLA.
Aerożel grafenowy, to kompozyt grafenowy, który można wyprodukować za pomocą druku 3D SLA. Źródło: Lawrence Livermore National Laboratory

Inne innowacyjne podejście do druku 3D z grafenu, pochodzi ze współpracy między Virginia Tech College of Engineering i Lawrence Livermore National Laboratory. Badania przeprowadzone przez te szanowane instytucje, doprowadziły do ​​opracowania nowego sposobu drukowania z grafenu, który umożliwia tworzenie precyzyjnych obiektów uformowanych w dowolny kształt.

Proces rozpoczyna się od wytworzenia hydrożelu tlenku grafenu. Tlenek grafenu jest związkiem podobnym do grafenu, ale zawiera tlenek zintegrowany z atomami węgla. Hydrożel to trójwymiarowa struktura zbudowana z łańcuchów polimerowych z wiązaniami krzyżowymi, utrzymującymi razem łańcuchy polimeru.

Następnie tlenek grafenu jest rozbijany za pomocą ultradźwięków i dodawany jest światłoczuły polimer (hydrożel). Obecne badania pokazują, że możliwe jest wykorzystanie tego hydrożelu tlenku grafenu, jako żywicy do druku 3D, z  wykorzystaniem technologii mikrostereolitografii (SLA). Rezultatem są obiekty 3D zawierające tlenek grafenu, który nadaje wydrukowanej części znaczną większość niesamowitych właściwości grafenu.

Po zakończeniu procesu drukowania, części wydrukowane w 3D należy podgrzać, aby polimery mogły się rozpuścić. Po podgrzaniu pozostaje tak zwany aerożel grafenowy, czyli niezwykle lekka konstrukcja.

Pomimo tego, że proces ten jest bardziej zaawansowany niż opisany powyżej proces oparty na FDM, nadal jest daleki od ukończenia, ponieważ można tworzyć tylko bardzo małe struktury.

Powrót do laboratorium

Użycie kawałka taśmy na solidnym bloku grafitu doprowadziło do odkrycia grafenu.
Użycie kawałka taśmy na solidnym bloku grafitu doprowadziło do odkrycia grafenu. Źródło: The Verge / YouTube

Naukowcom trudno jest znaleźć odpowiednie rozwiązanie, które umożliwi druk z czystego grafenu, ponieważ jest to bardzo wyjątkowy materiał.

Grafen jest nie tylko bardzo trudny do druku 3D, ale także drogi i trudny w produkcji. Szum wokół grafenu rozpoczął się w 2004 roku od eksperymentu z grafitem i taśmą. Od tego czasu wielu naukowców i inżynierów rozpoznało fenomenalne właściwości grafenu i stwierdziło, że rzeczywiście może on przynieść rewolucję w różnych gałęziach przemysłu.

Aby grafen zrewolucjonizował różne branże, musi być możliwe jego masowe wytwarzanie na dużą skalę. Powodem, dla którego szum wokół grafenu nigdy tak naprawdę nie spełnił jego oczekiwań, jest to, że nadal nie jesteśmy w stanie drukować z grafenu w 3D na dużą skalę. Wszystkie obecne osiągnięcia działają tylko z niewielkimi strukturami.

Wciąż jesteśmy na bardzo wczesnym etapie druku 3D z grafenu. Dotychczasowy postęp wygląda obiecująco, ale czeka nas długa droga, zanim grafen zacznie pojawiać się we wszystkim, z czym codziennie wchodzimy w interakcje.

 

Źródło głównego zdjęcia: Imperial College London / YouTube

Licencja: Tekst „ Grafenowy druk 3D – czy można to zrobić? ” Wydany przez All3DP jest objęty licencją na podstawie międzynarodowej licencji Creative Commons Attribution 4.0.

Źródło: https://all3dp.com/