Drukarka 3D do wytwarzania grafenu

Do budowy grafenowych urządzeń potrzebne jest precyzyjne wzorcowanie arkuszy grafenu w skali mikrometrowej i nanometrowej. Drukowanie przestrzenne (3D) struktur grafenu stanowi zatem atrakcyjną metodę wytwarzania.

Technologie przemysłowe

Grafen to cienka warstwa czystego węgla, a właściwie pojedyncza warstwa atomów tego pierwiastka połączonych ze sobą w sześciokątną strukturę plastra miodu. Jest to najcieńszy znany związek, a także bardzo skuteczny przewodnik prądu elektrycznego i ciepła w temperaturze pokojowej. Choć ten niezwykły dwuwymiarowy materiał jest stosowany w produkcji elektroniki, inżynierowie poszukują metody jego wytwarzania w 3D, która pozwoliłaby na zastosowanie go w różnych innych dziedzinach. Metoda taka została odkryta niedawno przez naukowców uczestniczących w pewnym unijnym projekcie. Istnieją już różne metody tworzenia trójwymiarowych monolitycznych struktur grafenowych, takie jak szablonowanie emulsji czy odlewanie w stanie zamrożonym, ale pozwalają one wyłącznie na budowanie prostych kształtów. W ramach projektu GRAPES (Graphene enhancement of the photocatalytic activity of semiconductors) uczeni zastosowali inne podejście. Zespół wykorzystał płatki chemicznie zmodyfikowanego grafenu — tlenku grafenu (GO) i jego zredukowanej postaci rGO — wraz z polimerem reagującym na bodźce, aby stworzyć atramenty i pasty na bazie wody. Preparaty te posiadają właściwości fizyczne potrzebne do osadzania filamentów w druku 3D. Następnie nowy materiał przetestowano jako budulec trójwymiarowych struktur tworzonych przy pomocy bezpośredniego zapisu atramentem. Technika ta polega na ciągłym nanoszeniu filamentu zgodnie z projektem komputerowym. Struktury 3D budowano warstwa po warstwie, od dołu do góry. Ponieważ grafen ma właściwości hydrofobowe, nie można było stworzyć bezpośrednio atramentów na bazie wody. Dlatego też zastosowano chemicznie zmodyfikowany grafen. GO może być przetwarzany w wodzie i wykorzystywany do tworzenia złożonych architektur. Preparaty GRAPES mogą być drukowane przestrzennie przy użyciu dyszy o wielkości zaledwie 100 mikrometrów. Po wydrukowaniu struktury poddawane były obróbce termicznej, aby zachować wszystkie pożądane właściwości grafenu. Co ważne, wydrukami można manipulować — na przykład przy pomocy chemikaliów lub redukcji elektrochemicznej — bez utraty tych właściwości. Technikę GRAPES opisano szczegółowo w artykule pt. Printing in three dimensions with graphene, który ukazał się w 2015 r. na łamach czasopisma Advanced Materials.