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Une imprimante 3D pour le graphène

La réalisation d'appareils basés sur le graphène nécessite la structuration précise de feuilles de graphène, à l'échelle micrométrique et nanométrique. L'impression en 3D de structures en graphène constitue de ce fait une méthode de fabrication attractive.
Une imprimante 3D pour le graphène
Le graphène est une fine couche de carbone pur; c'est pour l'essentiel une couche unique d'atomes de carbone liés entre eux dans un réseau hexagonal en nid d'abeille. Il s'agit du composé le plus mince connu, ainsi que d'un conducteur d'électricité et de chaleur très performant à température ambiante.

Alors que cet extraordinaire matériau 2D a trouvé des applications dans la fabrication de composants électroniques, les ingénieurs sont en quête d'une méthode de fabrication en 3D, un développement crucial pour utiliser le graphène dans un plus large éventail d'applications. Une méthode de ce type a récemment été découverte par des chercheurs financés par l'UE.

Il existe déjà différentes méthodes pour assembler des monolithes de graphène en 3 dimensions, comme la modélisation par émulsion et le freeze casting, mais elles sont limitées à la construction de formes simples. Dans le cadre du projet GRAPES (Graphene enhancement of the photocatalytic activity of semiconductors), les chercheurs ont adopté une approche différente.

L'équipe a utilisé des flocons de graphène chimiquement modifié, à savoir de l'oxyde de graphène (GO) et sa forme réduite rGO, en combinaison avec un polymère réactif, afin de formuler des encres et des pâtes à base aqueuse. Ces formulations avaient les propriétés physiques nécessaires au dépôt de filament utilisé par l'impression 3D.

Le nouveau matériau a ensuite été testé comme élément de base pour créer des structures en 3D, en utilisant la technique «direct ink writing» (DIW). Cette technique, également connue sous le nom de «direct write assembly», est basée sur le dépôt en continu d'un filament, en fonction d'une conception informatique prédéfinie. Les structures 3D ont été construites couche par couche, du bas vers le haut.

Le graphène étant hydrophobe, il n'a pas été possible de formuler directement des encres à base aqueuse. Les chercheurs ont par conséquent utilisé du graphène chimiquement modifié. L'oxyde de graphène peut être traité dans l'eau pour réaliser les architectures complexes. Les formulations de GRAPES peuvent être imprimées en 3D avec des buses de seulement 100 micromètres.

Une fois imprimées en 3D, les structures créées ont subi un traitement thermique afin qu'elles conservent les propriétés très attrayantes du graphène. Élément important, les impressions peuvent ensuite être manipulées, par exemple avec des produits chimiques ou par réduction électrochimique, tout en conservant les propriétés désirées.

La technique de GRAPES est décrite en détail dans l'article Printing in three dimensions with graphene, publié en 2015 dans la revue Advanced Materials.

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Mots-clés

Impression 3D, graphène, électronique, polymère réactif