Jesteśmy coraz bliżej wykorzystania grafenowych materiałów kompozytowych w druku przestrzennym wielofunkcyjnych struktur komórkowych na potrzeby elektroniki
Wyjątkowe właściwości fizyczne grafenu – dwuwymiarowej warstwy atomów węgla tworzących siatkę o strukturze plastra miodu – to temat, który nadal elektryzuje całe rzesze naukowców chcących zgłębić tkwiący w nim potencjał. Grafen jest obecnie stosowany w dziesiątkach produktów konsumenckich i technologicznych, a z jego wykorzystaniem w kilku podsektorach przemysłowych wiązane są ogromne nadzieje. Jednym z bardziej wyczekiwanych rozwiązań, które mogłoby przyspieszyć opracowanie innowacji przemysłowych wykorzystujących grafen, są grafenowe materiały kompozytowe nadające się do obróbki przyrostowej. Dzięki wsparciu działania „Maria Skłodowska-Curie” zrealizowano projekt Graphene 3D, który otworzył możliwości rozwoju zoptymalizowanych, wielofunkcyjnych kompozytów polimerowych na bazie grafenu z myślą o zastosowaniu ich w druku przestrzennym. Ponadto dzięki wykorzystaniu nowych nanokompozytów zespół mógł pracować nad wytworzeniem struktur o pożądanych właściwościach ekranowania elektromagnetycznego i termicznych.
Polimerowe materiały kompozytowe o ulepszonych właściwościach
„Przygotowaliśmy kompozyty o różnych składzie – oparte na pięciu rodzajach polimerów zawierających hybrydowe nanomateriały węglowe (mieszankę grafenu i nanorurek węglowych)”, mówi kierowniczka ds. promocji projektu Patrizia Lamberti. Każdy z testowanych składów okazał się odpowiedni do druku przestrzennego i wykazywał dobre przewodnictwo elektryczne, wysoką skuteczność ekranowania elektromagnetycznego oraz lepsze właściwości termiczne w porównaniu z czystą osnową polimerową. Ponadto uzyskane materiały zachowały, a w niektórych przypadkach nawet poprawiły właściwości reologiczne i mechaniczne materiału wyjściowego. W badaniach koncentrowano się na metodach osadzania topionego materiału oraz selektywnego spiekania laserowego, w związku z czym naukowcy przygotowali różne receptury materiałów na potrzeby tych właśnie technologii druku przestrzennego. Badali między innymi właściwości mieszanki nanopłytek grafenowych, zredukowanego tlenku grafenu i wielościennych nanorurek węglowych wbudowanych w polilaktyd, termoplastyczny poliuretan, alkohol winylowy czy poli(dimetylosiloksan). „Niektóre materiały kompozytowe otrzymane w trakcie projektu mają charakter unikatowy, a inne przewyższają te dostępne na rynku. Zastosowanie solidnej metodologii w zakresie projektowania znacznie pomogło w wytworzeniu kompozytów o ulepszonych ogólnych parametrach w porównaniu z obecnie stosowanymi”, dodaje Lamberti. Dodatkowo, dzięki specjalnym technikom przygotowania, udało się znacznie obniżyć progi perkolacji elektrycznej czy reologicznej. „Jest to ważny etap, ponieważ pozwala na użycie mniejszej liczby nanostruktur do budowy kompozytów o tych samych właściwościach”, wyjaśnia Lamberti.
Wytrzymałe, lekkie materiały komórkowe na bazie węgla
Prace obejmowały też modelowanie i wytworzenie zróżnicowanych struktur materiałów komórkowych, charakteryzujących się wyjątkowym przewodnictwem elektrycznym i cieplnym, wytrzymałością mechaniczną, lekkością i skutecznym ekranowaniem przed zakłóceniami mikrofalowymi. „Ich docelowym zastosowaniem miało być zapobieganie zakłóceniom elektromagnetycznym w czułych urządzeniach elektronicznych poprzez zapewnienie ochronnych ekranów elektromagnetycznych, które pochłaniają promieniowanie przychodzące, zamiast je odbijać. Jednocześnie ekran ochronny nie powinien blokować odprowadzania ciepła generowanego przez układy energoelektroniczne”, wyjaśnia Lamberti. Dzięki zastosowaniu metody osadzania topionego materiału oraz mieszanki polilaktydu, nanopłytek grafenowych i wielościennych nanorurek węglowych naukowcom udało się wytworzyć trzy struktury generyczne: bezechowe struktury piramidalne, okresowe struktury otwartokomórkowe oraz struktury „waflowe”. Ponadto wykorzystując metodę selektywnego spiekania laserowego, z termoplastycznego poliuretanu i wielościennych nanorurek węglowych wykonali prototyp o strukturze „matrioszki”. Łącząc trzy różne, pionierskie dziedziny badawcze – nanotechnologię grafenowo-polimerową, projektowanie materiałów i obróbkę przyrostową, projekt Graphene 3D przyczynił się do wzmocnienia interdyscyplinarnej, strategicznej współpracy między partnerami, podniesienia ich prestiżu i stworzenia platformy startowej dla przyszłych wspólnych przedsięwzięć. Utworzono również wspólne laboratorium w dziedzinie badań i zastosowań grafenu i polimerów umożliwiające wymianę wiedzy między członkami konsorcjum. W celu upowszechnienia działań realizowanych w ramach projektu zorganizowano cztery konferencje oraz centrum szkoleniowe, a wszystkie osoby zainteresowane wynikami projektu mogą się z nimi bliżej zapoznać dzięki 80 artykułom opublikowanym na łamach renomowanych periodyków naukowych.
Słowa kluczowe
Graphene 3D, kompozyty, druk przestrzenny, obróbka przyrostowa, wielościenne nanorurki węglowe, osadzanie topionego materiału, selektywne spiekanie laserowe, polilaktyd, nanopłytki grafenowe, zakłócenia elektromagnetyczne
