ウォータールーの研究者らが、医療、産業、環境修復用途向けに完全に3Dプリント可能なグラフェンインクを開発

2025 年 2 月 14 日、Antarctic Bear は、ウォータールー大学の研究者が、電子および電磁干渉 (EMI) シールドアプリケーションに使用できる機能性エアロゲルを 3D プリントするための直接インク書き込み (DIW) に使用できる、すべてグラフェンで無添加の環境に優しい水性インクを開発したことを知りました。この発見により、自動車、家電製品、環境浄化など多岐にわたる分野でグラフェンを応用できる可能性が開けた。

関連研究は、「機能性導電性エアロゲルの3Dプリント用無添加グラフェンベースインク」と題する論文として、Materials Chemistry A誌に掲載されました。

論文リンク: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ta/d4ta03082f
グラフェンは、その強度、導電性、熱特性で知られています。しかし、通常は粉末の形で生産されるため、加工が難しく、その用途は限られています。研究者らは、導電性を保ちながら水中に分散できるグラフェンナノシートを設計し、世界初のオールグラフェンインクを開発した。この新しいインクは、汎用性が非常に高いだけでなく、添加物を含まず、他の代替インクとは異なり、印刷に化学溶剤を必要としません。
インクを設計するために、カルガリー大学、ブリティッシュコロンビア大学、フィンランドのアアルト大学のメンバーを含む研究チームは、大規模生産に適した2段階の電気化学プロセスを開発した。層状のグラファイトに分子を挿入するインターカレーションと呼ばれる特別に設計されたステップにより、水中でグラフェンナノシートを連続的に生成することが可能になります。包括的な特性評価により、グラフェンナノシートの物理化学的特性が均一性、レオロジー、導電性、および EMI シールド効果 (SE) に大きな影響を与えることが明らかになりました。
△ 3Dプリンターがグラフェンインクを使用してUWのロゴを作成（ウォータールー大学）
「高度な用途向けにグラフェン素材を複雑な形状に成形することは常に大きな課題であり、その広範な使用を制限してきました」とウォータールー大学化学工学部のミラド・カムカー教授は述べています。「私たちが提案する方法を使えば、グラフェンをあらゆる形状に3Dプリントすることができます。」
△化学工学博士課程の学生、シャキバ・サムサミさんが3Dプリンターにグラフェンインクを装填している。（ウォータールー大学）
グラフェンは水性機能性インクとして、スマートウォッチやフィットネスバンドのセンサー、あるいは糖尿病患者用の血糖値モニターなどに 3D プリントすることができます。その他の潜在的な用途としては、車両の重量を軽減するための 3D プリント部品や、水を浄化または淡水化するためのフィルターなどがあります。
グラフェンインクは、バッテリー、プリンテッドエレクトロニクス、環境修復にも応用できる可能性がある。例えば、多孔質の超吸収構造を使用して海洋の油流出を除去したり、大気中の二酸化炭素を捕捉して気候変動を最小限に抑えたりするといったことだ。
これらのインクを設計するために、研究チーム（カルガリー大学、ブリティッシュコロンビア大学、フィンランドのアアルト大学のメンバーで構成）は、大規模生産に適した 2 段階の電気化学プロセスを開発しました。層状のグラファイトに分子を挿入するインターカレーションと呼ばれる特別に設計されたステップにより、水中でグラフェンナノシートを連続的に生成することが可能になります。
「現代の技術進歩は、新たな環境問題という犠牲の上に成り立っています」と、ウォータールー大学マルチスケール材料設計研究所所長のカムカー氏は語る。「生き残り、これらの課題に対処するには、既存のものより効率的な新材料を開発しなければなりません。これは、分子、ナノスケールからマクロスケールまで、複数のスケールで材料特性を制御し、微調整することによってのみ達成できます。」
この革新的なグラフェンインクの製造方法により、環境に有害な還元剤や高温処理を使用せずに、軽量の多孔質材料を迅速かつ継続的に大規模に製造できるようになります。さらに、製造プロセスにおける還元工程の排除は、エネルギー効率の高い製造プロセスと高いスループット率に対する業界の要求を満たし、材料科学の分野における大きな進歩を示し、高度な製造技術におけるグラフェンベースのインクの応用に明るい展望をもたらします。研究者たちの次のステップは、環境修復と二酸化炭素回収技術の高度な応用を探求することです。

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