Jingge 3D プリンティング第 62 号 - 3D プリンティングとグラフェンの出会い

3Dプリンティングはテクノロジーメディアで引き続き話題になっており、伝説的な2次元素材であるグラフェンは大きな期待を集めています。では、3D プリンティングとグラフェンが出会うと、どんな魔法が起こるのでしょうか?今号では、静兄弟が田小崇博士を招き、3Dプリントされたグラフェンについて皆さんに説明してもらいました。

著者について: Tian Xiaocong は、武漢理工大学を卒業し、材料科学と工学の博士号を取得しています。現在は、南洋理工大学のシンガポール 3D プリンティングセンターのポスドク研究員として、主にナノ機能性材料の 3D プリンティング研究に従事しています。

3D プリントグラフェン: 材料とプロセスの衝突

現在、市場における 3D プリントの主な材料には、プラスチック、金属、セラミック、生体材料などがあります。グラフェンは、炭素原子がsp2混成して形成されたハニカム状の2次元物質です。厚さはわずか1原子層で、単原子層グラファイトとも呼ばれます。これらのグラフェン層が一定の規則に従って「積み重ねられる」と、グラファイトが形成されます。今日はグラフェン3Dプリンティングの研究の進歩についてお話ししたいと思います。
グラフェン 3D プリント技術といえば、2013 年に設立された Graphene 3D Lab について触れなければなりません。わずか数年で、同社は導電性グラフェン 3D プリントフィラメントと関連製品を開発し、親会社である Graphene Laboratories の発行済み株式すべてを買収して上場することに成功しました。同社の成功は、グラフェン 3D プリンティング分野における市場展望を示しています。
グラフェン自体の利点は、軽量、高強度、優れた導電性です。現在、グラフェン 3D 印刷の主流技術は押し出しベースの 3D 印刷であり、その核心と鍵となるのは印刷プロセスで使用されるスラリー (またはワイヤ) です。これには、グラフェンとその誘導体 (酸化グラフェンなど) を入手し、適切な高粘度ポリマー材料またはその他の溶媒に分散させてスラリーを形成し、必要な 3D 構造に 3D 印刷する必要があります。印刷後、後処理方法 (アニーリングなど) を使用して、グラフェンの還元度と純度を向上させます。注目すべきは、上記の 3D 印刷プロセスではグラフェンベースの複合材料が得られることが多く、添加剤がグラフェンの性能 (機械的強度、導電性など) に大きく影響するということです。したがって、スラリー (またはワイヤ) の調製を巧みに制御する必要があります。この調製と印刷構造は、通常、分野によって要件が異なります。次の例は、いくつかの異なる応用分野について示されています。

1. 機械的強度
高強度に関して、まず言及しなければならないのは、少し前に話題になったマサチューセッツ工科大学のマルクス・ビューラー氏のチームの研究結果です。彼らはコンピューターシミュレーションモデルを使用してグラフェンの3次元構造をシミュレートしました。欠陥がないという仮定の下での強度の結果、構造の極限引張強度（2.7GPa）は、通常の鋼鉄の10倍も高くなる可能性があることを示しました。研究チームは3Dプリンティングを利用して3次元グラフェン構造（図3a参照）を作製し、3次元構造とグラフェン材料の利点をさらに明らかにした。印刷されたジャイロイド構造の体積は実際の体積より21桁大きいが、それでもこの分野におけるグラフェンの将来性をある程度裏付けている。米国のローレンス・リバモア国立研究所のマーカス・A・ワースリーのチームも、3Dプリント技術を使用してグラフェンマイクロラティスエアロゲルを得ました（図3bを参照）。印刷されたスラリーは、グラフェン酸化物を水中に超音波分散させ、強化剤（フュームドシリカなど）と混合することで得られました。3Dプリント後、窒素中で1050°Cでアニールして酸化グラフェンを熱還元し、化学溶剤を使用して二酸化ケイ素などをエッチングして、純粋なグラフェンマイクロラティスエアロゲルを得ました。この構造と通常のバルクグラフェンの機械的特性試験結果から、3Dプリントグラフェンにはより多くの利点があり、ヤング率の値が1桁高いことがわかりました。

2. 電気化学的エネルギー貯蔵
グラフェン材料は、その高い機械的特性に加えて、実際に多くの機能デバイスに使用されています。典型的な例は、電気化学エネルギー貯蔵デバイス（主にバッテリーとスーパーキャパシタを含む）です。現在、サンドイッチ構造と平面構造の2つの主流の構成です。Graphene 3D Labは、サンドイッチ構造バッテリーを組み立てる3Dプリントグラフェン材料を発売しました（図4）が、同社は具体的な材料パラメータと印刷の詳細を明らかにしていません。バッテリー材料にはグラフェンに加えて、他の電気化学的に活性な物質も含まれていると推測されており、グラフェンは電気化学的および機械的特性の向上に非常に重要な役割を果たしています。
産業分野以外では、多くの研究機関もバッテリー分野での3Dプリント技術の実現可能性に注目しています。2013年、イリノイ大学アーバナシャンペーン校のシェン・J・ディロンのグループとハーバード大学のジェニファー・A・ルイスのグループは、3Dプリント技術を使用してマイクロリチウムイオンバッテリーデバイスを印刷した最初のグループでした。その後、2016年にメリーランド大学のリャンビン・フーのグループがこの分野でのグラフェンの利点に気づきました。彼らはグラフェン酸化物を導入して、グラフェン活性無機材料（リン酸鉄リチウムまたはチタン酸リチウム）ベースの複合スラリーを得ました。同様に、印刷後に高温熱処理を使用してグラフェン酸化物を還元しました。得られたマイクロバッテリーは良好な電気化学特性を示しましたが、これは主にグラフェンの高い電気伝導性と比表面積によるものでした。科学研究機関と産業分野の企業の焦点は異なっていることがわかります。研究者は、エネルギー貯蔵メカニズムなどの他の特性の科学的説明と探求など、製品の費用対効果と大規模生産に注意を払いながら、より将来に焦点を当てています。

3. 高温ヒーター
メリーランド大学のLiangbing Huの研究グループは、3Dプリント技術を使用して酸化グラフェンの3次元構造を作成し、炭化還元を通じてグラフェンベースの馬蹄形ミニ高温ヒーターを得ました（図5）。このヒーターに電流を流すと、超高速（100 ミリ秒未満）で非常に高い温度（約 3000 K）に達し、加熱速度は最大 20,000 K/s となり、安定性も優れています（>2000 サイクル、目立った劣化なく 1 日以上高温を維持）。チームメンバーは「金属やセラミックベースの炉やヒーターは、このような高温に達することはできません。このような高温では、ほとんどの金属は溶け、セラミックは分解してしまうからです」と紹介した。注目すべきは、グラフェンの熱伝導率が5300 W・m-1・K-1と高く、カーボンナノチューブやダイヤモンドよりも高いことだ。3Dプリントグラフェン技術は、熱伝導率にも利点があると考えられている。

4. 生物医学
グラフェン材料は、その優れた機械的特性と導電性により、バイオメディカルにおいても独自の利点を持っています。米国ノースウェスタン大学のラミール・N・シャーとマーク・C・ハーサムの研究グループは、押し出し3Dプリント技術を使用して、グラフェンと生分解性ポリエステル（PLG）で構成された複合材料を印刷しました（情報源：[6]）。独自のスラリー配合により、グラフェン成分（質量の75％）が大きな割合を占め、印刷された構造の電気伝導性と機械的特性が向上し、残りのPLG成分は構造の柔軟性と安定性を確保できる生体適合性材料です。印刷精度は100ミクロン未満（印刷速度40mm/秒）に達し、印刷された3次元構造はバイオメディカルでの使用に比較的安定していることが証明されています。研究チームは、印刷されたグラフェンベースの足場に幹細胞を注入し、最終結果は非常に優れていました。まず、細胞は生き残り、その後分裂、増殖を続け、ニューロンのような細胞に変化しました。

概要: スペースの制限により、ここで 1 つ 1 つ挙げることができないアプリケーション領域が多数あります。まとめると、グラフェン 3D 印刷技術は現在まだ初期の研究段階にあり、3D 印刷されたグラフェン構造の多くはまだ小さなサイズの範囲にありますが、これはグラフェンとその派生材料が通常の材料に比べて現在高価であることにも関係しています。将来的には、関連するプロセスの改善や材料の最適化を通じて、消費者が実際の製品を見ることができるようになることを願っています。大きな市場が生まれると信じています。

さらに読む:
「MITは、鋼鉄の10倍の強度を持ちながら、重量はわずか20分の1の新しい3Dグラフェン素材を開発しました。」
グラフェンと3Dプリントがリチウムイオン電池業界にもたらす破壊的変化

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出典: Jingge 3D Printing

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