Trwają prace nad drukowaniem grafenu w technologii 3D
9 sty 2017 18:45

Poprzez badania struktur geometrycznych naukowcy z MIT (Massachusetts Institute of Technology) są o krok bliżej wytworzenia za pomocą wydruku 3D najtwardszego znanego na świecie materiału – grafenu. Dla porównania: grafen 2D lepiej przewodzi energię niż druty miedziane, jest dziesięć razy mocniejszy od stali, a jednocześnie lżejszy i zdecydowanie bardziej przejrzysty od każdego z tych materiałów. Problem polega na tym, że tego rodzaju właściwości grafenu są na ten moment teoretyczne, a samo skalowanie nanomateriału okazało się ogromnym wyzwaniem. Aby grafen mógł skutecznie konkurować z miedzią i stalą, musi zostać wydrukowany z drukarki 3D.

Wyzwaniem jest uzyskanie struktury 3D z materiału 2D (dzięki temu, że grubość materiału wynosi równo jeden atom, taką formę możemy określić jako dwuwymiarową). Struktura dwuwymiarowa materiału, czyli źródło całej jego mocy, zmienia się na skutek metod produkcji, czyli topienia i chłodzenia, które są nieodłącznymi etapami druku 3D.

Najnowsze badania prowadzone przez naukowców MIT dotyczą projektowania lekkiego, trójwymiarowego grafenu oraz jego struktury geometrycznej, zapewniającej niezmienność jego atomowych właściwości zachowanych po wydruku. Geometria ta przybiera formę gyroidu, kształtu odkrytego przez matematyka Alana Schoena w 1970 roku. Gyroidy są podobne do plastra miodu – struktury charakterystycznej dla grafenu, z tym że cała „sieć krystaliczna” musi być tworzona tylko z jednego segmentu, co znaczy, że wszystko, co jest potrzebne do odtworzenia siatki grafenu, to jeden sześciokąt.

Gyroid charakteryzuje się minimalną powierzchnią, mieszcząc się na „najmniejszej możliwej przestrzeni potrzebnej do zajęcia miejsca”. To sprawia, że pozwala zredukować zużycie materiałów, ilość odpadów, a także ciężar – problematyczny parametr, którego ograniczenie  jest jedną z głównych przesłanek prowadzenia badań nad grafenem i jego przydatnością do druku 3D.

Badacze przeprowadzali liczne próby rozciągania i ściskania grafenu. Wydrukowano pięć gyroidów o różnych grubościach ścianek przy wykorzystaniu technologii Stratasys Vero Magenta na urządzeniu Objec500, w rozdzielczości 20 mikrometrów (jedna tysięczna milimetra), a następnie testowano je poprzez rozciąganie i zgniatanie. Jak pokazały wyniki, gyroidy z grubszymi ściankami zachowywały się inaczej pod ciśnieniem niż ich cieńsze odpowiedniki - cienkie konstrukcje kruszą się stopniowo, a grube ściany absorbują ciśnienie, aby później uwolnić je w eksplozji.

Wyniki badań pozwoliły naukowcom na przeprowadzenie cyfrowych symulacji pokazujących, jak gyroid wykonany z grafenu będzie się zachowywał przy wysokich naprężeniach. Symulacje przedstawiają potencjalne granice wytrzymałości drukowanego grafenu, ustanawiając krytyczną gęstość, poniżej której grafen drukowany w 3D zaczyna tracić swoją przewagę mechaniczną nad większością polimerowych materiałów komórkowych. Naukowcy nie są do końca zadowoleni z wyników eksperymentów i pomiarów, dlatego trwają badania, które pozwolą udoskonalić proces wytwórczy grafenu - najtwardszego materiału na świecie uzyskiwanego za pomocą druku 3D.

Opracowano na podstawie informacji 3D Printing Industry

 

error: Alert: Treść jest chroniona.