最大10ミクロンの解像度を持つグラフェンエアロゲルのマイクロステレオリソグラフィー3Dプリント。雄しべの上に立つことができる。

2018年8月27日、アンタークティックベアは海外メディアから、バージニア工科大学工学部とローレンス・リバモア国立研究所の研究者らが、マイクロステレオリソグラフィー投影技術により、最大10ミクロンの解像度でグラフェンエアロゲル構造を印刷できる新しい3Dグラフェン印刷プロセスを開発したことを知りました。グラフェンは、航空宇宙、エネルギー貯蔵、導電性材料における最高性能の材料の 1 つです。

画像提供: バージニア工科大学
グラフェンは炭素原子で構成された単層の六角形の格子構造です。グラフェンシートをきれいに積み重ねて立体形状にすると、鉛筆の「芯」として知られるグラファイトになります。

グラファイトは単にグラフェンが詰め込まれたものなので、機械的特性はかなり劣ります。しかし、グラフェンシートを空気で満たされた細孔から分離すれば、三次元構造はその特性を保持することができます。この多孔質グラフェン構造はグラフェンエアロゲルと呼ばれます。

これまで、研究者は直接インクやその他の押し出しベースの方法を使用してのみグラフェンエアロゲルを 3D プリントすることができました。しかし、この手法では、積み重ねられる単純なオブジェクトしか作成できません。

「この技術を使えば、非常に限定された構造を作ることができますが、サポートがないので解像度が限られ、自由形状の要素を得ることができません」と、元LLNL研究科学者で現在はバージニア工科大学の機械工学助教授であるシャオユ・ジェン氏は言う。「私たちがやったのは、これらのグラフェン層を高解像度で望むどんな形にも加工することです。」

3年前、ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）とバージニア工科大学の科学者とエンジニアは、マイクロステレオリソグラフィーと呼ばれる光硬化技術を使用してグラフェンエアロゲルを3Dプリントすることに着目し始めました。

投影型マイクロステレオリソグラフィーでは、紫外線を使用して部分層の画像を感光性液体樹脂に投影し、画像の形状に硬化させます。この方法を使用することで、研究者は 3D グラフェンエアロゲルの解像度を約 10 マイクロメートルまで高めることができました。

これらの複雑な構造を作り出すために、研究者たちはグラフェンの前駆体である酸化グラフェンから始め、シートを架橋して多孔質のハイドロゲルを形成した。研究者らは、超音波で酸化グラフェンハイドロゲルを断片化し、感光性アクリレートポリマーを加えることで、投影マイクロステレオリソグラフィーを使用して、長くて硬いアクリレートポリマー鎖内に酸化グラフェンが閉じ込められた望ましい固体 3D 構造を作成することができました。最後に、3D構造を炉に入れてポリマーを燃やし、物体を融合させて、純粋で軽量なグラフェンエアロゲルを残しました。

このプロジェクトの主な課題の 1 つは、マイクロステレオリソグラフィープロセスと互換性のあるグラフェンエアロゲル樹脂を開発することでした。ライアン・ヘンズリーは、LLNL で夏季インターンとして働き、博士号取得を目指しています。バージニア工科大学で高分子科学と工学を専攻していた彼は、適切な組み合わせを見つけるまで2年以上にわたり多くの化学物質の混合物を研究したと語った。

「これは、これまで行われてきたことと比べると大きな進歩だ」とヘンズリー氏は語った。「ご希望の構造を何でも実現できます。」グラフェンエアロゲルから複雑な構造を印刷できることにより、航空宇宙、原子炉、淡水化プラント、化学処理など、コンピューター駆動の最適化設計の恩恵を受けられる多くの用途への扉も開かれます。

「グラフェン本来の重要な特性を維持しながら、複雑な3Dグラフェン構造を作れることを実証できた」と鄭氏は語った。「通常、グラフェンを3Dプリントしたり、拡大したりすると、その機械的特性が失われます。」

科学者とエンジニアは現在、3Dプリント部品の表面積を増やすことを検討しており、技術をさらに最適化するための正確なパラメータを決定するためのさらなる研究を行う予定です。

この研究の主な成果は最近、Materials Horizons誌に掲載されました。

出典: 3ders

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