近日消息，3D打印的石墨烯氣凝膠材料被吉尼斯世界紀錄公司宣布為世界上最輕的3D打印材料。該材料密度是如此之小，可以安全放在花瓣或棉花上。該材料是由美國堪薩斯州立大學(xué)工業(yè)與制造系統工程助理教授林東、布法羅大學(xué)工業(yè)與系統工程助理教授ChiZhou和蘭州大學(xué)副教授張強強共同制備的。其正方形樣品非常輕便，可以?huà)煸邴溍⑸隙粫?huì )彎曲。
氣凝膠是一種用途廣泛的物質(zhì)，是世界上密度最小的固體，密度僅為3千克每立方米。這種海綿狀的物體也是絕佳的熱與光學(xué)絕緣體，據了解，近年來(lái)利用3D打印機就可以制造出這種凝膠。在各種氣凝膠中，石墨烯氣凝膠是關(guān)注度最高的一種，因為它可以應用在電子部件的電池和觸媒中。
石墨烯氣凝膠輕如鴻毛
吉尼斯世界紀錄將石墨烯氣凝膠命名為“密度最小的的3D打印結構材料”。3D打印石墨烯氣凝膠密度只有0.5毫克每立方厘米。研究人員于2016年2月制備了材料，并得到了吉尼斯世界紀錄的正式認可。他們的成就將在“吉尼斯世界紀錄2018版”中亮相。
“石墨烯是一種革命性的材料，它的氣凝膠形式也同樣重要，”林說(shuō)。“我們研發(fā)的的3D打印石墨烯氣凝膠各項性能非常優(yōu)秀，可廣泛應用于柔性驅動(dòng)器、柔性機器人、傳感器、可變形電極材料、藥物傳輸和投放、超輕隔熱保溫及防護材料等。
石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，是一種只有一個(gè)原子層厚度的準二維材料。由于其十分良好的強度、柔韌、導電、導熱、光學(xué)特性，在物理學(xué)、材料學(xué)、電子信息、計算機、航空航天等領(lǐng)域都得到了長(cháng)足的發(fā)展。
3D打印石墨烯的工藝同樣具有開(kāi)創(chuàng )性
該項研究的3D打印石墨烯氣凝膠材料具有開(kāi)創(chuàng )性，而且制備工藝同樣具有開(kāi)創(chuàng )性。研究人員使用兩個(gè)噴嘴的改進(jìn)型噴墨打印機，他們在冷藏柜中將3D石墨烯氧化物和水混合物的液滴印刷在零下20攝氏度的冷板上。這種方法創(chuàng )造出石墨烯和冷凍水的3D冰結構，這有助于石墨烯保持其形狀。當打印完成時(shí)，研究人員將3-D材料放在冷凍干燥器中，通過(guò)提供高真空和低溫環(huán)境來(lái)除去冰，剩下的就是是三維石墨烯氣凝膠材料，可以在室溫下保持其形狀。使用這種方式制作出來(lái)的3D打印石墨烯氣凝膠密度在0.5-10毫克每立方厘米，具有相當高的電導系數和壓縮系數。
這種全新方式的關(guān)鍵就在于凍結鑄造法與3D打印的結合，打印過(guò)程中的溫度為-25°C，在這么低的溫度下，每一層沉積物會(huì )快速凍結，研發(fā)團隊便可建造一個(gè)氧化石墨烯冰制支撐結構（冰制制成結構是由另外一臺裝入水的打印機打印出來(lái)的），然后每一層新的沉積層都會(huì )融化掉下面冰凍的頂部，這就使得石墨烯可以在再次冰凍之前自由結合。這種刺激氫鍵形成的步驟大大提高了3D打印的結構完整性。
石墨烯氣凝膠的應用
石墨烯三維結構三維結構的實(shí)現也讓他們在水處理，催化劑，隔熱，微控驅動(dòng)，電學(xué)器件，傳感等各個(gè)方向存在潛在應用。但真正接近工業(yè)級的幾乎沒(méi)有，最大的原因還是太貴。
1.水處理
石墨烯氣凝膠有很好的親油性，而且由于其超彈性和多孔性，可用于海洋費油處理等。超低的密度賦予了它單克吸附油品高達幾百克的優(yōu)異性能，而且后續無(wú)論是通過(guò)擠壓或者燃燒除去油品，整個(gè)氣凝膠結構保持完好使其能夠可持續使用。
2.催化劑載體
上海交大的馮新亮教授通過(guò)在氣凝膠中負載上四氧化三鐵納米粒子，最后發(fā)現負載上四氧化三鐵納米粒子的氣凝膠的催化劑性能優(yōu)于單純的四氧化三鐵納米粒子，這其實(shí)是可以預見(jiàn)的。因為氣凝膠材料的多孔性（>99%）和大比較面積，當催化劑顆粒均勻負載在氣凝膠上時(shí)，實(shí)際參與反應的催化劑與反應物的接觸面積是大于單純的納米顆粒的。氣凝膠的作用相當于納米顆粒從堆疊的變?yōu)榉稚⒌?。也就是說(shuō)氣凝膠可以很好的作為催化劑的一種載體或者說(shuō)是固定劑。
3.傳感器
長(cháng)春應用化學(xué)所陳衛研究員提出了基于石墨烯氣凝膠載體的SnO2顆粒用于空氣中NO2氣體監測的應用。原理如下：SnO2（半導體）在還原性氣體氛圍下導電性增加，在氧化性氣體氛圍下導電性減弱，但目前SnO2的一些缺點(diǎn)限制了其應用，例如室溫下導電性差，基于SnO2的氣體傳感器工作溫度高（H2：170-200℃，CO:200℃），合成過(guò)程中SnO2容易團聚導致性能降低等。而利用石墨烯氣凝膠作為載體，然后負載上SnO2顆粒后幾乎完美地解決了這些問(wèn)題，首先導電性得到很大提高，其次阻止了其團聚，連工作溫度都下降到了50℃，使得在常溫下應用成為可能。這其中也是利用了石墨烯氣凝膠具有較好的導電性。
資料來(lái)源：石墨烯資訊
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