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韩国科学家用石墨烯实现3D打印纳米级对象

近日,韩国电工研究所(KERI)的一个团队完全使用石墨烯成功地3D打印出了一个纳米结构,这是历史上的第一次,具有划时代的意义,证明了将纯石墨烯材料用于3D打印的可能性。

该研究成果发表在2014年11月出版的《AdvancedMaterials》上,研究人员使用拉伸的油墨弯液面制作出3D结构的还原氧化石墨烯(RGO)纳米线。显然,与大多数使用线材或粉末做材料的3D打印方法不同,KERI的方法更加精细。“这种方法(指拉伸油墨弯液面法)使我们能够实现比喷嘴孔径更精细的打印结构,从而实现纳米结构的制造。”该研究团队负责人SeungKwonSeol教授称。

这对于在打印的电子器件中实现3D结构是一个很重要的进展,这其中石墨烯将发挥非常重要的作用。

所谓石墨烯,是由单层碳原子形成的特殊材料,它以其独特的性能,如超凡的导电性、柔韧性和透明性,使之成为从电子到能量存储到商业应用的理想材料。然而,科学家们面临的挑战是如何在微米和纳米尺度操纵石墨烯片,这需要非常高的精确度。很多科学家认为,3D打印工艺可能是解决方案。

在研究团队发表的论文中描述了Seol教授的研究小组如何利用弯液面作为一种更新颖的方法来实现纳米级3D打印。首先,科学家在室温下使用微量吸管在其前端形成弯液面,随后在上面生长出石墨烯氧化物(GO)线。该导线然后通过热或化学处理(用肼)削减。随着熔剂迅速蒸发,微量吸管拉动石墨烯氧化物(GO)沉积,从而实现GO线的生长。

GO纳米线的制造通过拉动一个含有GO悬浮浮液的微量吸管(GO板厚度为0.9±0.1纳米),以及在水蒸发过程中拉伸该弯液面来实现。在上图圈中(右下):FE-SEM图像显示出一个生长成的rGo纳米线,直径为400纳米。viaNanowerk&AdvancedMaterials

通过调整吸移管的拉伸率,研究人员能够准确地控制rGo纳米线,并能达到约为150纳米的最小值。研究人员指出,他们的做法可有效用于3D打印石墨烯纳米结构以及多材料3D纳米打印。据天工社了解,利用这种技术,它们可以产生各种独立式的rGO结构,包括直导线、桥梁、悬浮结和编织结构等。

迄今为止,市场上出现了石墨烯增强型的3D打印复合线材,但它其实有一些问题,在复合材料中加入石墨烯确实会提升塑料属性,但是塑料材料同时会恶化石墨的固有性质。此外,传统的FDM打印方法根本不可能实现在纳米尺度打印3D对象。

“据我们所知,之前没有完全用石墨烯做材料3D打印纳米结构的报道。”Seol教授说。“我们确信,这种做法将带来一种3D打印电子的新模式。”

显而易见,使用石墨烯材料的3D纳米打印技术的出现将为各种理论上存在的“科幻产品”问世打开大门,比如纳米机械、纳米机器人等。

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