氣凝膠是一種用途廣泛的物質(zhì)，是世界上密度最小的固體，密度僅為3千克每立方米。這種海綿狀的物體也是絕佳的熱與光學(xué)絕緣體，據(jù)了解，近年來利用3D打印機(jī)就可以制造出這種凝膠。在各種氣凝膠中，石墨烯氣凝膠是關(guān)注度最高的一種，因為它可以應(yīng)用在電子部件的電池和觸媒中。

▲ 3D打印石墨烯氣凝膠的正方形樣品非常輕便，可以掛在麥芒上而不會彎曲。該材料 被吉尼斯世界紀(jì)錄公司宣布為世界上最輕的3D打印材料。

近日消息，3D打印的石墨烯氣凝膠材料被吉尼斯世界紀(jì)錄公司宣布為世界上最輕的3D打印材料。該材料密度是如此之小，可以安全放在花瓣或棉花上。該材料是由美國堪薩斯州立大學(xué)工業(yè)與制造系統(tǒng)工程助理教授林東、布法羅大學(xué)工業(yè)與系統(tǒng)工程助理教授Chi Zhou和蘭州大學(xué)副教授張強(qiáng)強(qiáng)共同制備的。

▲ 石墨烯氣凝膠輕如鴻毛

吉尼斯世界紀(jì)錄將石墨烯氣凝膠命名為“密度最小的的3D打印結(jié)構(gòu)材料”。 3D打印石墨烯氣凝膠密度只有0.5毫克每立方厘米。研究人員于2016年2月制備了材料，并得到了吉尼斯世界紀(jì)錄的正式認(rèn)可。他們的成就將在“吉尼斯世界紀(jì)錄2018版”中亮相。

“石墨烯是一種革命性的材料，它的氣凝膠形式也同樣重要，”林說?！拔覀冄邪l(fā)的的3D打印石墨烯氣凝膠各項性能非常優(yōu)秀，可廣泛應(yīng)用于柔性驅(qū)動器、柔性機(jī)器人、傳感器、可變形電極材料、藥物傳輸和投放、超輕隔熱保溫及防護(hù)材料等。

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，是一種只有一個原子層厚度的準(zhǔn)二維材料。由于其十分良好的強(qiáng)度、柔韌、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、光學(xué)特性，在物理學(xué)、材料學(xué)、電子信息、計算機(jī)、航空航天等領(lǐng)域都得到了長足的發(fā)展。

3D打印石墨烯的工藝同樣具有開創(chuàng)性

▲ 堪薩斯州立大學(xué)工業(yè)與制造系統(tǒng)工程助理教授林東持有三維印刷石墨烯氣凝膠樣品，吉尼斯世界紀(jì)錄公司將其稱為“密度最小的3D打印材料”。

該項研究的3D打印石墨烯氣凝膠材料具有開創(chuàng)性，而且制備工藝同樣具有開創(chuàng)性。研究人員使用兩個噴嘴的改進(jìn)型噴墨打印機(jī)，他們在冷藏柜中將3D石墨烯氧化物和水混合物的液滴印刷在零下20攝氏度的冷板上。這種方法創(chuàng)造出石墨烯和冷凍水的3D冰結(jié)構(gòu)，這有助于石墨烯保持其形狀。當(dāng)打印完成時，研究人員將3-D材料放在冷凍干燥器中，通過提供高真空和低溫環(huán)境來除去冰，剩下的就是是三維石墨烯氣凝膠材料，可以在室溫下保持其形狀。使用這種方式制作出來的3D打印石墨烯氣凝膠密度在0.5-10毫克每立方厘米，具有相當(dāng)高的電導(dǎo)系數(shù)和壓縮系數(shù)。

▲ 制備工藝過程

這種全新方式的關(guān)鍵就在于凍結(jié)鑄造法與3D打印的結(jié)合，打印過程中的溫度為-25°C，在這么低的溫度下，每一層沉積物會快速凍結(jié)，研發(fā)團(tuán)隊便可建造一個氧化石墨烯冰制支撐結(jié)構(gòu)（冰制制成結(jié)構(gòu)是由另外一臺裝入水的打印機(jī)打印出來的），然后每一層新的沉積層都會融化掉下面冰凍的頂部，這就使得石墨烯可以在再次冰凍之前自由結(jié)合。這種刺激氫鍵形成的步驟大大提高了3D打印的結(jié)構(gòu)完整性。

參考文獻(xiàn)：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201503524/full

內(nèi)容來源：公眾號 材料科學(xué)與工程