Nieuwe methode maakt 3D-printen van grafeen met resolutie tot 10 microns mogelijk

Een nieuwe methode maakt het mogelijk objecten in grafeen te 3D-printen met een resolutie die veel kleiner is dan voorheen mogelijk was. Dankzij deze lage resolutie kan grafeen in theorie in iedere vorm en afmeting worden 3D-geprint.

De methode is ontwikkeld door onderzoekers van Virginia Tech en het Lawrence Livermore National Laboratory. Grafeen is een veelbelovend materiaal met opvallende eigenschappen. Zo is grafeen het sterkste materiaal ooit ontdekt op aarde en heeft het materiaal hoge elektrische- en thermische geleidendheid. 

Wat is grafeen?

Grafeen bestaat uit een enkele laag koolstofatomen die in een zeshoekig rooster zijn geordend. Indien meerdere lagen grafeen op elkaar worden gestapeld om een driedimensionale vorm te creëren ontstaat grafiet, dat onder andere in potloden wordt gebruikt. Dit materiaal bevat echter niet de eigenschappen die grafeen juist zo aantrekkelijk maken. 

Al langer is het mogelijk grafeen te 3D-printen. Hierbij worden de lagen grafeen van elkaar gescheiden met behulp van kleine poriën die met lucht worden gevuld. De poreuze grafeenstructuur die hierdoor ontstaat wordt een grafeen aerogel genoemd. 

Alleen geschikt voor eenvoudige objecten

De grafeen aerogels die tot nu toe beschikbaar waren hadden echter hun beperkingen. Zo konden objecten met behulp van deze materialen alleen in een lage resolutie worden geprint, waardoor alleen eenvoudige objecten zonder complexe vormen in grafeen konden worden gecreëerd. “Met behulp van deze techniek kunnen slechts zeer beperkte structuren worden gecreëerd, aangezien er geen ondersteuning is en de resolutie erg beperkt is. Hierdoor kan je geen vrije vormen maken.”

Onderzoekers van Virginia Tech en het Lawrence Livermore National Laboratory melden echter een nieuwe 3D-printmethode te hebben ontwikkeld waardoor grafeen met een hogere resolutie kan worden geprint. Dit maakt het in theorie mogelijk grafeen in iedere vorm en afmeting te printen. 

“Een ontwerper kan nu een driedimensionale topologie creëren die bestaat uit onderling verbonden grafeenlagen”, legt Xiaoyu “Rayne” Zheng, assistent-professor van het Department of Mechanical Engineering van het College of Engineering en directeur van het Advanced Manufacturing and Metamaterials Lab van Virginia Tech, uit. “Deze nieuwe ontwerp- en productievrijheid zal leiden tot een optimalisatie van de sterkte, geleidendheid, massatransport en gewichtsdichtheid die niet haalbaar is in grafeen aerogels.”

Poreuze hydrogel van grafeenoxide

Zheng heeft de printmethode samen met de derdejaarsstudent Macromoleculaire Wetenschappen en Machinebouw Ryan Hensleigh ontwikkeld. Het materiaal waar gebruik van wordt gemaakt is door Hensleigh ontwikkeld door een poreuze hydrogel te creëren van grafeenoxide. Deze hydrogel is vervolgens opgebroken met behulp ultrageluid, waarna hier lichtgevoelige polyacrylaat aan werd toegevoegd. 

Deze combinatie maakt het mogelijk met behulp van micro-stereolithografie solide 3D-structuren te creëren. Hierbij wordt het grafeenoxide gevangen in lange en rigide ketens van polyacrylaat. De gecreëerde 3D-structuur wordt vervolgens in een oven geplaatst om de polymeren te verbranden en het object aan elkaar te smelten. Het eindresultaat is een puur en lichtgewicht grafeenaerogel. 

Veel kleinere resolutie

Hensleigh wijst erop dat zijn printmethode het mogelijk maakt objecten met een veel kleinere resolutie te creëren, waardoor de objecten meer details kunnen bevatten. Andere processen maken het volgens de student mogelijk tot een nauwkeurigheid van 100 microns te printen, terwijl de nieuwe methode het mogelijk maakt een resolutie van 10 microns te realiseren.

Meer informatie is te vinden in een paper die Zheng en Hensleigh hebben gepubliceerd in Materials Horizon.  

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Bron: Virginia Tech
Bron: Paper ‘Additive manufacturing of complex micro-architected graphene aerogels’
Bron foto: Pixabay / seagul