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气凝胶+3D打印,打开美丽新世界大门

在吉尼斯世界纪录2018年版本中,气凝胶将再荣膺一项世界之最——“密度最小的3D打印结构”。

这项殊荣是由石墨烯气凝胶夺得的。3D打印石墨烯气凝胶的密度可低达0.5毫克每立方厘米,一小块方形的3D打印石墨烯气凝胶,可以轻松地挂在小麦的单个麦芒上而不会将之压弯。

石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体,是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料。

气凝胶则是一种固体物质形态,气凝胶的多孔网状结构能有效锁住90%以上的静止空气,具有多种特殊性能,是世界上密度最小的固体。

革命性的石墨烯材料和神奇的物质状态气凝胶结合在一起,碰撞出了惊人的火花——石墨烯气凝胶具备众多特别的属性,比如高压缩性、高电导率、超弹性、大比表面积、亲油防火、超高孔隙率等。

在2015年,石墨烯气凝胶便已可由3D打印技术制造出来——3D打印即快速成型技术的一种,是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

这一成果是由美国布法罗大学工业与系统工程助理教授Chi Zhou、堪萨斯州立大学东林工业和制造系统工程助理教授Dong Lin和中国兰州大学副教授Qiangqiang Zhang合作研发成功的。

这三位研究人员经过反复试验,在国际上首次实现了具有悬空复杂拓扑纯三维石墨烯结构可剪裁设计。

通俗地说,就是利用石墨烯氧化物与水的混合物作为“墨水”,通过依需滴落的方式,在零下25摄氏度的温度下将其3D打印到一个表面上。这样每打印出来的一层都会被冰冻住,然后在冰的支撑下再打印下一层,从而构建由冰作为悬空空间“支架”的三维气凝胶结构。

最后,将产生的气凝胶置于液氮中进行冷冻干燥以去除水分,然后加热使其成为固体气凝胶。根据这种技术,研究者们能够制备出密度范围在每立方米0.5到10千克的气凝胶,且具有良好的导电性和高压缩性。

“通过这种3D打印方法,大家可以控制石墨烯气凝胶的形状,理想情况下大家也可以控制气凝胶的电气和机械性能。”Lin说。

气凝胶+3D打印,有着广阔的应用场景,将打开一扇美丽新世界的大门。

研究人员称,通过3D打印方法制备出的石墨烯气凝胶材料,将在多功能材料、柔性电子器件、储能单元、传感器件、生物化学催化载体、超级电容器等领域具有广阔的应用前景。

这一预测,正在成为现实。

目前大家使用的电池主要有三大不足之处:充电时间往往以小时计;充电和放电的次数是有限的,因此寿命相对比较短;不环保,回收时需要特殊的、昂贵的处理过程。

2016年6月,美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室与加州大学圣克鲁兹分校的科学家们,使用石墨烯气凝胶3D打印出了超级电容——将气凝胶电极里的锂离子和高氯酸盐离子夹在石墨烯层之间,可大幅改善电极的能力,使石墨烯基超级电容的性能翻倍:由石墨烯创造一个非常大的表面积在多个工作表面来储存能量,在几秒钟内就能持有非常大的电荷,而且,因为充电和放电不会降低电池的质量,所以这种电池在理论上可以永久使用下去。

研究者说,这一研究结果是使用气凝胶创建更加复杂的体系结构的下一步,可以实现功能更为强大的超级电容,而3D打印新型超级电池的商业空间,由此变得极具想象力,比如可以用来开发出各种规格的薄电池,应用到可穿戴电子领域。

 “我认为将来每个设备都会定制的,所以就需要具有各种独特结构或形状的超级电容。”他表示,“如果能3D打印它,大家就能做出任何想要的形状。在将来,每个人都可以设计自己的苹果。”

美国国家航空航天局也将使用这一新技术。他们计划,将气凝胶喷射技术用于3D打印精密电子装配。由于太空飞船上的仪器非常精密,很多都是以微米为宽度单位,而以气凝胶喷射技术配合3D打印技术,将会重新定义精密电路板装配的制造方式,并且进一步提高各种仪器的性能及稳定性。

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