近日，美国弗吉尼亚理工大学与劳伦斯利福摩尔国家实验室的研究人员开发出一种新工艺，采用投影微立体光刻技术，3D打印复杂的石墨烯三维结构。这种方法打印出的石墨烯三维结构，分辨率比之前的方法高出一个数量级，并可以保留石墨烯二维材料的卓越机械特性。

背景

如今，说起最受社会各界追捧的新材料，我们第一个可能会想到的就是:石墨烯。石墨烯是由单层碳原子组成的蜂窝状结构，它是世界上已知的最薄、最轻、最强的材料，具有"新材料之王"的美誉，并将对整个产业产生颠覆性的影响。

石墨烯已经广泛应用于诸多科技领域，例如:柔性电子、高效晶体管、传感器、新材料、电池、超级电容、半导体制造、新能源、通信、太赫兹技术、医疗等。

但是，长久以来，石墨烯材料一直很难用于制造复杂结构的物体。以前，研究人员只能以二维薄片或基本结构的形式打印石墨烯材料。正是因为这个问题，石墨烯材料很难被制作成三维物体，应用于电池、航空、分选、热量管理、传感器与催化剂等工业领域。

创新

为了解决上述问题，美国弗吉尼亚理工大学(Virginia Tech)与劳伦斯利福摩尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory )的研究人员开发出一种新工艺，采用投影微立体光刻(projection micro-stereolithography)技术，3D打印复杂的石墨烯三维结构。通过这种工艺打印的石墨烯三维结构，分辨率比之前的方法高出一个数量级，并可以保留石墨烯二维材料的卓越机械特性。

标题为"Additive manufacturing of complex micro-architected graphene aerogels"的相关研究论文发表在期刊《Materials Horizons》上。

技术

当石墨烯薄片整齐地在彼此之上堆叠并形成一种三维形状的时候，它就变成了石墨，也就是铅笔里所谓的"铅"。但是，石墨就是将石墨烯简单地堆叠到一起，所以其机械性能很差。如果石墨烯薄片通过充气孔隙分离，那么这种三维结构将保持石墨烯原有的特性。这种多孔隙的石墨烯结构被称为"石墨烯气凝胶"。

气凝胶，是一种具有海绵状结构的低密度材料。它有许多重要的应用，例如作为热和光的绝缘体等。然而，石墨烯与气凝胶相结合会获得一些特别的属性，比如高压缩性、高电导率，可以用于制造减震结构、固态电池与催化剂等。

该校工学院机械工程系助理教授、高级制造与超材料实验室主任 Xiaoyu "Rayne" Zheng 表示:"如今，设计师可以设计由互连的石墨烯薄片组成的三维拓扑结构。这种新的设计与制造的自由度，将优化石墨烯气凝胶中的强度、导电性、质量输运以及重量密度。"

之前，研究人员采用挤出成型工艺打印石墨烯，有点像挤牙膏，但是那项技术只能创造出堆叠在其自身之上的简单物体。

Zheng 表示:"通过那种技术，你能制造出的结构非常有限，因为没有支撑，而且分辨率相当有限，所以你无法获得自由造型因子。我们所做的就是让这些石墨烯层可以高分辨地制造成任何你需要的形状。"

为了制造这些复杂结构，论文领导作者、高分子科学与工程系博士生 Ryan Hensleigh 从石墨烯的前体氧化石墨烯入手，交联片材以形成多孔水凝胶，然后再用超声波破碎氧化石墨烯水凝胶，并添加光敏丙烯酸酯聚合物。Hensleigh 采用投影微立体光刻技术制造出所需的固态三维结构，氧化石墨烯被囚禁于丙烯酸聚合物的刚性长链中。最终，Hensleigh 将三维结构放置在熔炉中，烧掉聚合物并将物体融合到一起，留下纯净且轻量的石墨烯气凝胶。

价值

Hensleigh 表示:"相比于之前的成果，这是一项重大突破。我们几乎可以做成你想要的任何结构。" 这项研究的关键在于研究人员制造出的石墨烯结构分辨率比之前的方法高一个数量级。Hensleigh 表示，其他工艺的打印分辨率可低至100微米，而这项技术的分辨率可低至10微米，这接近于石墨烯片的实际尺寸。

Zheng 表示:"我们已经能够展示，你可以制造出一个复杂的石墨烯三维结构，与此同时仍可以保持它的一些固有的基本特性。通常，当你尝试3D打印石墨烯或者按比例扩大时，你将失去大部分可以在单层石墨烯片中找到的有益的机械特性。"