Американские ученые разработали метод печати графеновых аэрогелей с произвольной структурой и разрешением на уровне десяти микрометров. В отличие от других методов, новый способ позволяет добиться не только большего разрешения, но и более высоких механических свойств, рассказывают авторы в Materials Horizons.

Графен представляет собой одноатомный слой из атомов углерода, и обычно ученые и инженеры используют его именно в таком виде или в виде хлопьев, состоящих из нескольких слоев. Сами по себе графеновые плоскости имеют крайне высокие механические характеристики, в том числе предел прочности на растяжение. Но при создании объемных структур из графена сохранить эти свойства сложно, потому что графеновые хлопья распределяются хаотично и большая часть нагрузки на них носит сгибающий, а не растягивающий характер. Кроме того, одна из проблем при создании объемных графеновых структур заключается в том, что пока методы для 3D-печати этим материалом имеют низкое разрешение.

Группа исследователей под руководством Маркуса Уорсли (Marcus Worsley) из Ливерморской национальной лаборатории разработала метод 3D-печати графеном, позволяющий добиться высокого разрешения печати и частично сохранить исходные механические свойства графена. Процесс печати можно разделить на несколько этапов. Изначально ученые создают смесь из хлопьев оксида графена, а также фотоотверждаемого акрилатного полимера и фотоинициатора. Печать происходит с помощью метода проекционной микростереолитографии, при котором жидкая исходная смесь находится в поддоне и освещается излучателем, который заставляет полимер затвердевать в заданных местах.

Схема метода. Ryan Hensleigh et al. / Materials Horizons, 2018

Напечатанная на 3D-принтере структура — это заготовка, состоящая в основном из полимера. После печати ее подвергают пиролизу и практически весь полимер удаляется, оставляя структуру, состоящую из соединенных между собой плоскостей графена. Поскольку во время печати полимер и графеновые хлопья распределяются по материалу равномерно, после пиролиза структура напечатанного объекта сохраняется, хотя ее размер заметно уменьшается.

Пример напечатанных структур до (верхний ряд) и после пиролиза. Ryan Hensleigh et al. / Materials Horizons, 2018

Исследования на сканирующем электронном микроскопе показали, что метод позволяет печатать структуры с минимальным размером элементов около десяти микрометров, что примерно в десять раз меньше, чем другие методы для печати графеновых пористых структур. Кроме того, исследователи выяснили, что напечатанный ими материал оказался более прочным при равной плотности при сравнении с пористыми графеновыми материалами из других работ. Также материал обладает меньшей деградацией механических свойств при уменьшении плотности. Ученые связывают это с тем, что благодаря выбранному ими процессу печати и пиролиза в конечной структуре при нагрузке превалирует растяжение, а не сжатие.

Сравнение отношения между модулем Юнга и плотностью пористых графеновых материалов. Ryan Hensleigh et al. / Materials Horizons, 2018

В прошлом году другая группа американских ученых также разработала метод печати пористых графеновых структур. Заметное отличие их работы заключается в исходных материалах — в качестве них выступает смесь сахара и порошкообразного никеля.

Автор: Григорий Копиев