Negli Usa si ottiene il Grafene stampato in 3D ad alta risoluzione

25/08/2018 1296

Il grafene è stato scoperto meno di dieci anni fa (gli scienziati che lo hanno isolato hanno ricevuto il Nobel per la fisica nel 2010) e con le sue caratteristiche straordinarie è diventato una vera ossessione per scienziati, imprenditori e società high-tech di tutto il mondo.

​Che cos'è il grafene?

Sostanzialmente si tratta di uno strato di carbonio dello spessore di un solo atomo. Si calcola che una pila di 3 milioni di fogli di grafene avrebbe uno spessore di 1 mm. È un materiale elastico e flessibile, ma estremamente robusto, centinaia di volte più resistente dell'acciaio. È un ottimo conduttore di elettricità ed ha un punto di fusione superiore ai 3000 °C.

 

Semplificando si può dire che ha la resistenza meccanica del diamante ma vanta la flessibilità tipica della plastica, è un ottimo conduttore termico e per il suo spessore così ridotto è considerato trasparente (lascia passare il 97,7% della luce).

La produzione del grafene: un problema costoso

Finora, produrre il grafene in quantità diverse da quelle normalmente utilizzate per la ricerca è ancora estremamente costoso e non sono ancora stati realizzati prodotti commerciali da immettere nel mercato. Per questo, le aziende ed i governi di tutto il mondo stanno investendo centinaia di milioni di dollari nella ricerca. La Commissione Europea ha avviato un progetto speciale dedicato al grafene, stanziando oltre un miliardo di dollari USA, che serviranno a finanziare per oltre un decennio le attività di ricerca e sviluppo di istituti di ricerca e grandi aziende di primaria importanza in 17 paesi europei (http://www.graphene-flagship.eu).

 

Grafene, un materiale 2D in un mondo 3D

Il grafene è un materiale dei sogni con infinite applicazioni, un materiale così sottile da poter essere definito in 2D, peccato che viviamo in un mondo tridimensionale.

 

Un team di ricercatori della Virginia Tech a però sviluppato un nuovo metodo per stampare in 3D dell'aerogel al grafene ad una risoluzione ben più alta di quanto fatto fino adesso. Questa forma porosa è estremamente leggera, i ricercatori hanno raggiunto il loro obiettivo tenendo separati gli strati di grafene con degli interstizi d'aria.

La stampa 3D del grafene

grafene stampato 3DIl nuovo metodo è piuttosto complesso: inizialmente si crea l'idrogel di ossido di grafene su fogli reticolati, successivamente vengono scomposti con gli ultrasuoni e combinati con polimeri di acrilato sensibili alla luce. Per la stampa, infine, il team ha sfruttato la cosiddetta 'microstereolitografia di proiezione' (un metodo molto preciso con cui realizzare elementi su scala microscopica) per costruire catene rigide del polimero e ossido di grafene intrappolato all'interno.

 

Xiaoyu “Rayne” Zheng, ex scienziato del laboratorio LLNL Lab, ora assistente professore in ingegneria meccanica presso Virginia Tech ha affermato “Quello che abbiamo fatto è stato ottenere questi livelli di grafene per essere architettati in qualsiasi forma che si desidera con alta risoluzione”.

L’Aereogel di grafene

Se i fogli di grafene sono separati con pori riempiti d’aria, la struttura tridimensionale può mantenere le sue proprietà. Questa struttura porosa di grafene è chiamata aerogel di grafene. In precedenza, i ricercatori potevano solo stampare l’aerogel di grafene in 3D usando l’inchiostro diretto o altri metodi basati sull’estrusione. Da quella tecnica poteva solo creare oggetti semplici che si sovrapponevano a se stessi.

 

Tre anni fa, scienziati e ingegneri presso Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e Virginia Tech hanno iniziato a dedicarsi alla stampa 3D di aerogel di grafene utilizzando la luce, un metodo noto come micro-stereolitografia a proiezione.

 

Nella proiezione di micro-stereolitografia, la luce ultravioletta viene utilizzata per proiettare l’immagine di uno strato parziale in una resina liquida fotosensibile, che viene polimerizzata e indurita nella forma dell’immagine. Usando questo metodo, i ricercatori sono stati in grado di ridurre la risoluzione in aerogel di grafene 3D stampati con metodi basati sull’estrusione da circa 100 micron a circa 10 micron.

 

Per creare queste strutture complesse, i ricercatori hanno iniziato con l’ossido di grafene, un precursore del grafene, reticolando i fogli per formare un idrogel poroso. Rompendo l’idrogel di ossido di grafene con ultrasuoni e aggiungendo polimeri acrilici sensibili alla luce, i ricercatori potrebbero utilizzare la micro-stereolitografia a proiezione per creare la struttura 3D solida desiderata con l’ossido di grafene intrappolato nelle lunghe e rigide catene di polimero acrilato. Infine, hanno posizionato la struttura 3D in una fornace per bruciare i polimeri e fondere insieme l’oggetto, lasciandosi dietro un aerogel grafene puro e leggero.

Possibile creare un’architettura 3D complessa del grafene

“Siamo stati in grado di dimostrare che è possibile creare un’architettura 3D complessa del grafene pur conservando alcune delle sue intrinseche proprietà primarie”, ha affermato Zheng. “Di solito quando provi a stampare o ad aumentare la scala in 3D, perdi la maggior parte delle proprietà meccaniche lucrative trovate nella sua forma a foglio singolo.”

 

Il risultato chiave di questo lavoro è stato recentemente pubblicato sulla rivista Materials Horizons .

 

Fonti: 

  • sandvik.coromant.com
  • hdblog.it
  • stamparein3d