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Stampante 3D per grafene

La realizzazione di dispositivi basati sul grafene richiede precisi patterning di fogli di grafene su scala micrometrica e nanometrica. La stampa 3D di strutture in grafene costituisce pertanto un percorso di fabbricazione interessante.
Stampante 3D per grafene
Il grafene è costituito da un sottile strato di carbonio puro; è essenzialmente un singolo strato di atomi di carbonio legati insieme in un reticolo esagonale a nido d’ape. È il più sottile composto noto, ed è inoltre un conduttore di elettricità e calore molto efficiente, a temperatura ambiente.

Mentre questo straordinario materiale 2D ha trovato applicazioni nella produzione elettronica, gli ingegneri stanno cercando un metodo di fabbricazione 3D, uno sviluppo cruciale verso l’applicazione del grafene a una gamma più ampia di applicazioni. Tale metodo è stato recentemente scoperto dai ricercatori finanziati dall’UE.

Esistono già diversi metodi per costruire monoliti in grafene 3D, come la realizzazione di dime per emulsione polimerica e il freeze casting, ma questi sono limitati alla costruzione di forme semplici. Nell’ambito del progetto GRAPES (Graphene enhancement of the photocatalytic activity of semiconductors), i ricercatori hanno adottato un approccio diverso.

Il team ha utilizzato dei fiocchi di grafene chimicamente modificato, vale a dire l’ossido di grafene (GO) e la sua forma ridotta rGO, insieme a un polimero reattivo, al fine di creare paste e inchiostri a base acquosa. Tali formulazioni hanno dimostrato le proprietà fisiche necessarie per la deposizione dei filamenti nella stampa 3D.

Successivamente, il nuovo materiale è stato testato come blocco di costruzione allo scopo di creare strutture 3D per mezzo di scrittura diretta con inchiostro. Tale tecnica, nota anche come assemblaggio mediante scrittura diretta, si basa sulla deposizione continua di un filamento, seguendo un progetto predefinito al computer. Le strutture 3D sono state costruite a strati, dal basso verso l’alto.

Poiché il grafene è idrofobico, non è stato possibile creare inchiostri a base di acqua. I ricercatori hanno quindi utilizzato grafene modificato a livello chimico. Il GO può essere lavorato in acqua per costruire architetture complesse. Le formulazioni del progetto GRAPES possono essere stampate in 3D con ugelli tanto piccoli da arrivare a 100 micrometri.

Una volta stampate in 3D, le strutture costruite sono state trattate a livello termico per garantire il mantenimento di tutte le proprietà altamente desiderabili del grafene. È fondamentale notare che le stampe possono essere ulteriormente manipolate, per esempio con prodotti chimici o tramite riduzione elettrochimica, mantenendo le proprietà desiderate.

La tecnica del progetto GRAPES è descritta in modo dettagliato nell’articolo intitolato Printing in three dimensions with graphene, pubblicato sulla rivista Advanced Materials nel 2015.

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Keywords

Stampa 3D, grafene, elettronica, polimero reattivo