Графен всеми признан одним из наиболее перспективных и революционных материалов XXI века. Данный материал является самым прочным, легким и высокопроводящим соединением на основе углерода, что позволяет ему играть ключевую роль в развитии многих современных технологий. Исследования подтверждают, что графен превосходит металлы по прочности в 100 раз, а также обладает значительно более высокими показателями тепло- и электропроводности. Однако основным препятствием для его широкого применения долгое время оставалась сложность массового производства двумерных кристаллов. Данная проблема была частично решена благодаря совместным усилиям ученых из Тяньцзиньского университета и Университета Райса: с использованием технологии объемной печати исследователям удалось получить сантиметровые фрагменты графена. Результаты данной работы представлены в научной публикации «Трехмерные печатные графеновые пены».

Сами специалисты предполагают, что проведенная работа может послужить основой для алгоритма по производству углеродного соединения в промышленных масштабах. «Наше исследование является первым в своем роде. Нам удалось продемонстрировать, как создать 3-мерную графеновую пену из материалов, которые имеют мало общего с этой модификацией углерода. Этот способ подвергается масштабированию для разработки графеновых пен с контролем размера пор, что может быть применено в различных задачах аддитивного производства», – рассказывает соавтор исследования, химик университета Райса Джеймс Тур.

В этом году группа специалистов из лаборатории Тура изготавливала революционный материал с помощью никеля, лазера и сахарной пудры. В этом году исследователи развили свои опыты и тесты, усиливая графеновую пену углеродными нанотрубками. Добытый таким образом кристалл назвали армированным графеном. Сохраняя исходную форму, материал способен выдерживать вес, в 3 000 раз превышающий его собственный. Сложнее всего было создать требуемую объемную форму для графена: для этого пришлось прибегнуть к процессу химического осаждения из газовой фазы при 1 000 ºC с последующим 3-часовым нагревом и охлаждением.

Сейчас лаборатория Тура совместно с двумя другими лабораториями из Тяньцзиньского университета и университета Райса переходят к методам аддитивного производства. Используя все те же никель и сахарную пудру, исследователи адаптировали технологию 3d-печати для создания небольших блоков графеновой пены. Однако теперь процесс можно проводить при комнатной температуре, и никакие формы больше не требуются.

«Этот простой и эффективный метод исключает необходимость как холодной штамповки пресс-форм, так и высокотемпературного химического осаждения из газовой фазы. С помощью 3д-принтера мы должны производить определенный вид графеновой пены, например, армированного, абсорбированного или легированного азотом и серой графена», – делится планами один из авторов проекта Джунвей Ша.

Для расплавления сахара исследователи использовали углекислотный лазер, а никель выступил в роли катализатора, ускоряя процесс образования графена после охлаждения смеси. Чтобы максимизировать производство углеродного соединения, ученые провели целый ряд испытаний, в ходе которых были определены оптимальное время работы и мощность лазера. В результате удалось получить легкий материал с малой плотностью и большими порами, покрывающими 99% его объема.

Соавтор работы, аспирант университета Райса Илун Ли уверен, что объемные графеновые пены, изготовленные по их методу, найдут свое применение там, где требуется быстрое прототипирование и производство углеродных 3d-материалов. Интересно, что несколькими неделями ранее исследователи из Харбинского политехнического института совместно с Министерством образования Китая предложили способ получения новых материалов для объемной печати путем «вживления» оксида графена в геополимер.

Для любознательных

Над технологией 3D-печати графена действительно работают и в России, и за рубежом — причём подходы у всех разные: кто-то печатает сам графен «из ничего», а кто-то добавляет его в полимеры для обычных 3D-принтеров. Я подобрала основные команды и компании.

В России

• Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ). Учёные разработали метод 3D-печати (точнее, послойного «выращивания») непосредственно графена. Суть в том, что в камере с жидким углеводородом (например, трансформаторным маслом) размещают две графитовые детали. При пропускании тока между ними возникает дуга, масло разлагается — и углерод осаждается тонкими слоями, формируя изделие. Важное преимущество: не нужно связующее вещество, а также энергоёмкая термическая обработка. В планах исследователей — создать специализированный 3D-принтер для такой печати.

В мире

• Университет Калифорнии в Санта-Круз (UCSC) и Ливерморская национальная лаборатория (LLNL). Они сосредоточились на печати графеновых аэрогелей — пористых структур, которые отлично подходят для электродов суперконденсаторов. Команда использует метод прямой записи чернилами (direct ink writing): создаёт «чернила» на основе оксида графена, а затем с помощью 3D-принтера формирует из них каркас. Дальше этот пористый каркас «наполняют» другими материалами (например, оксидом марганца MnO2), чтобы резко повысить ёмкость конденсатора.
• Университет Райса (США) и Тяньцзиньский университет (Китай). Исследователи применили лазер в 3D-принтере: луч воздействовал на смесь порошка никеля и сахарной пудры — никель работал как катализатор, и в результате формировалась графеновая пена. Позже группу интересовало армирование такой пены углеродными нанотрубками.
• Университет Конкордия (Монреаль, Канада). Здесь исследуют фотоотверждаемые технологии: диспергируют оксид графена в спирте, добавляют фотоинициатор (такой же, как в некоторых смолах для стереолитографии), а затем с помощью УФ-света превращают смесь в твёрдые структуры из оксида графена. Цель — получать более сложные и крупные конструкции, чем позволяют другие методы.

Компании

Некоторые фирмы не ведут фундаментальные исследования, а фокусируются на прикладных задачах — создании композитных материалов для 3D-печати, куда добавлен графен (чтобы улучшить прочность, электропроводность или теплопроводность пластика). Среди таких:

• Graphene 3D Lab (разрабатывает филаменты и смолы с графеном); nanotechmag.com +2
• NanoXplore (создаёт продукты на основе графена для аддитивного производства); dataintelo.com +1
• Haydale Graphene Industries (специализируется на функционализации графена для композитов);
• PMG 3D Technologies (Китай, предлагает линейку графеновых филаментов, включая GraphenePLA и GraphenePVDF).

Какой подход перспективнее?

Пока нет единого стандарта: одни команды идут от «чистого» графена для специфических задач (аэрогели для энергетики), другие — от композитов, чтобы расширить возможности обычных 3D-принтеров в промышленности. Активно развиваются и коллаборации: университеты сотрудничают с компаниями для перевода разработок в коммерческий продукт.