研究者らが3Dプリント酸化グラフェンを製造する新しい方法を開発

出典: 3Dプリンティングネットワーク

エクス・マルセイユ大学のセラミックス・ガラス研究所（ICV）とマイクロエレクトロニクス・ナノサイエンス研究所の研究者らは、3Dプリントされた酸化グラフェンの足場を、電気伝導性や水分吸着能力など、グラフェンの望ましい特性の多くを保持する軽量ハイブリッド構造の基礎として使用しました。

研究者らは、アルコキシド前駆体溶液をグラフェン酸化物の足場に浸透させ、汚染物質の除去、水のろ過、触媒、薬物送達、エネルギーの生成と貯蔵などの用途に潜在的に応用できるハイブリッド構造を生成した。

3D rGO スキャフォールドの浸透 (a、b)、アルカリ蒸気によるゲル化 (c)、およびエタノール洗浄 (d) によってシリカ (または SiAl)/rGO ハイブリッドを製造するために使用される合成プロセスの概略図。画像はヨーロッパセラミック協会誌より。

3D プリントグラフェンの限界<br /> 炭素の同素体であるグラフェンは、エネルギー生産やマイクロエレクトロニクスに関する研究、またバイオメディカルやセンシングなどの新技術の開発において一般的な要素となっている。この材料の軽量特性、高い電気伝導性と熱伝導性、および機械的強度は非常に望ましいものです。グラフェンの潜在能力の多くは、この材料を単層の形で展開することから生まれますが、グラフェンを使った 3D プリントには依然として大きな課題が残っています。

しかし、バージニア工科大学とローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）の研究者たちは、ゲルにグラフェンを分散させて3Dプリント可能な樹脂を作る高解像度の3Dプリント法を開発し、グラフェンの可能性をさらに活用する一歩を踏み出した。 LLNL は、カリフォルニア大学サンタクルーズ校のチームとも協力し、エネルギー貯蔵装置に使用するためのグラフェンベースのエアロゲル電極の 3D プリントについても研究しています。

グラフェンは、3D プリントされた自己感知装甲の作成や輸送ネットワークの近代化にも使用されています。一方、新たな研究では、水がグラフェンの表面と接触するとその構造がどのように変化するかが明らかになった。

最近、ノッティンガム大学の積層造形センターの研究者らは、グラフェンを使用した電子機器の3Dプリントにおいて画期的な進歩を遂げ、接触材料として単層グラフェンを置き換える道を開く可能性のあるインクジェットベースの3Dプリント技術を開発しました。 2D金属半導体。

バージニア工科大学/LLNL の研究で製造された格子状の「トラス」と複雑な 3D プリントグラフェン。画像提供：Material Horizons
酸化グラフェン-二酸化ケイ素構造の作成<br /> 酸化グラフェンは、高い多孔性、導電性、柔軟性、大きな表面積を備えた 3D 接続の軽量構造を製造するための実行可能な構成要素であると考えられています。科学者たちは、他の材料を3Dグラフェン構造に固定してハイブリッド材料または複合材料を形成することで、機械的な弱点や火炎による損傷を受けやすいといった酸化グラフェンの欠点のいくつかに対処することを目指している。

まず、研究者らは、グラフェン酸化物ナノシートから調製した水性インク、3-D Inks LLC の 3 軸ロボット自動鋳造システム、および RoboCAD ソフトウェアを使用して、グラフェン酸化物の足場を 3D プリントしました。足場は、直径 410 μm の針によって、隣接する層に対して直角に配置された均等に分散されたロッドの 16 層からなる直方体に印刷されました。

その後、この構造は液体窒素に10秒間置いて凍結され、その後フリーズドライ（凍結乾燥）され、グラファイト炉で1,200℃で処理されて酸化グラフェンの還元が促進されました。この時点で、3D プリントされた酸化グラフェン構造の寸法は 12 x 12 x 5 mm でした。

次のステップは、研究者がゾルゲル経路と呼ぶものを介して酸化グラフェンの足場に浸透することであり、これにはクライオゲルをアンモニア蒸気で架橋することが含まれる。

テトラエチルオルトケイ酸、エタノール、脱イオン水、塩酸を含む 2 つの溶液を調製し、それぞれ SiO2 ゾル (二酸化ケイ素) と SiAl ゾル (二酸化ケイ素 - アルミナ) と名付けました。酸化グラフェンの足場は、密閉容器内の各ゾルに半分浸され、その後、液面のすぐ上の固定プラットフォーム上に置かれた。サンプルは室温で 24 時間放置され、アンモニア触媒作用により含浸構造の長時間の凝縮と剛性が誘発されました。その後、ステントはエタノールで洗浄し、蒸気残留物を除去しました。

さまざまな材料の走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像の比較。 (a) 純粋な酸化グラフェンの足場、(b) 酸化グラフェン-シリカ構造。画像はヨーロッパセラミック協会誌より。結果と潜在的な用途研究者らは、3D プリントされた酸化グラフェン - シリカ構造は高度な多孔質を維持しながら、圧縮強度が未処理の酸化グラフェンスキャフォールドと比較して 250 ～ 800% 増加したことを発見しました。ハイブリッド構造は「優れた導電性」も維持したが、主な強化点は構造の親水性にあった。足場の超微細シリカベースの被覆が構造の濡れ性に大きな影響を与えることが観察されました。構造は完全に親水性となり、水を吸収する能力は未処理の酸化グラフェンの足場に比べて 10 倍に増加しました。酸化グラフェン-シリカ構造の強化された特性は、吸収剤、汚染物質除去、ガス検知、熱貯蔵、または光触媒水分解用途に適している可能性があることを示唆しています。

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