美国研究团队将石墨烯打印成复杂的3D形状

此前，研究人员只能打印2D薄片或基本结构的石墨烯。现在，弗吉尼亚理工大学的工程师们与劳伦斯利弗莫尔国家实验室的同事们合作开展了一个项目，该项目允许他们以3D打印石墨烯物体，据称其分辨率比以前打印的任何物体都高一个数量级。他们说，这在理论上解锁了制造任何大小或形状的石墨烯的能力。这项研究发表在材料的视野．

由于其强度和高导热性和导电性，3D打印的石墨烯物体将被广泛应用于电池、航空航天、分离、热管理、传感器和催化等领域。

石墨烯是一层碳原子组成的六角形晶格。当石墨烯薄片相互堆叠并形成三维形状时，它就变成了力学性能较差的石墨。但如果石墨烯薄片被充满空气的孔隙分开，三维结构可以保持其特性。这种多孔的石墨烯结构被称为石墨烯气凝胶。

“现在设计师可以设计由相互连接的石墨烯片组成的三维拓扑结构，”他说郑小雨“Rayne”他是弗吉尼亚理工大学工程学院机械工程系的助理教授，也是先进制造和超材料实验室的主任。“这种新的设计和制造自由将导致强度、导电性、质量输送和重量密度的优化，这在石墨烯气凝胶中是无法实现的。”

以前，研究人员可以使用挤压工艺打印石墨烯。郑说:“使用这种技术，你能创造的结构非常有限，因为没有支撑，分辨率也非常有限，所以你不能得到自由形状的因素。”“我们所做的是将这些石墨烯层构建成任何你想要的高分辨率形状。”

为了创建这些复杂的3D结构，主要作者Ryan Hensleigh从氧化石墨烯(石墨烯的前体)开始，将薄片交联形成多孔水凝胶。用超声波打破氧化石墨烯水凝胶，加入感光丙烯酸酯聚合物，亨斯利可以使用投影微立体光刻技术，将氧化石墨烯困在丙烯酸酯聚合物的长而坚硬的链中，创建所需的固体3D结构。最后，亨斯利将3D结构放在炉中燃烧聚合物，并将物体融合在一起，留下纯而轻质的石墨烯气凝胶。

亨斯利说:“与已经取得的成果相比，这是一个重大突破。”“我们几乎可以获得任何你想要的结构。”根据弗吉尼亚理工大学的说法，这项工作的关键发现是，该团队创造的石墨烯结构的分辨率比以往打印的要高一个数量级。亨斯利说，其他工艺可以打印到100微米，但这项新技术允许他打印到10微米的分辨率，接近实际石墨烯片的尺寸。

“我们已经能够证明，你可以制作一个复杂的石墨烯3D结构，同时仍然保留其一些固有的基本属性，”郑说。“通常当你尝试3D打印石墨烯或按比例放大时，你会失去其单片形式中大部分有利可图的机械性能。”

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