盡管目前大多數(shù)桌面級(jí)3D打印機(jī)都僅限于塑料線材，但許多制造專家都認(rèn)為，該技術(shù)更多的創(chuàng)造潛力蘊(yùn)藏在范圍更廣的其它材料及其應(yīng)用特性上，比如石墨烯這種神奇的高科技材料。因此，當(dāng)倫敦一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)成功地使用石墨烯材料完成3D打印后，不可避免地吸引了眾多關(guān)注的目光。
眾所周知，石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，只有一個(gè)碳原子的厚度。它有很多有趣的特性：幾乎完全透明、導(dǎo)電性強(qiáng)、可彎折、機(jī)械強(qiáng)度好（比鋼強(qiáng)約一百倍）。從它2004年第一次被成功制造出來(lái)之后，就被科技界廣泛看好，認(rèn)為它是一種顛覆性的全新材料。
原子水平的石墨烯結(jié)構(gòu)
近日，來(lái)自倫敦帝國(guó)學(xué)院材料系的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，由Esther Garcia Tunon Blanca、Suelen Barg、Victoria Garcia Rocha和Eduardo Saiz Gutierrez教授組成，并聯(lián)合來(lái)自Warwick大學(xué)、Bath大學(xué)和de Santiago de Compostela大學(xué)的團(tuán)隊(duì)，找到了一種3D打印石墨烯的方法。
他們開(kāi)發(fā)的這種技術(shù)主要基于FDM 3D打印，已經(jīng)發(fā)表在今年1月份出版的《Advanced Materials》雜志上，標(biāo)題《為使用石墨烯進(jìn)行三維度打?。≒rinting in Three Dimensions with Graphene）》。
這里需要說(shuō)明的是，要制造石墨烯對(duì)象需要精準(zhǔn)地復(fù)制出石墨烯六邊形圖案。為了做到這一點(diǎn)，倫敦帝國(guó)學(xué)院的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一種“FDM線材”，這種線材含有混合了響應(yīng)型聚合物（可誘導(dǎo)觸發(fā)某種行為的聚合物）的石墨烯薄片。在這種情況下，石墨烯薄片的化學(xué)屬性發(fā)生了一定的變化，使其具有了適當(dāng)?shù)恼硰椥?，并能與上下層石墨烯薄片結(jié)合在一起。
最初，研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是3D打印完整的石墨烯結(jié)構(gòu)，而非復(fù)合材料。這在一個(gè)水基體系里似乎是能夠?qū)崿F(xiàn)的。但該項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人Esther García-Tuñon Blanca解釋說(shuō)，這實(shí)際上是不可能的。“石墨烯是非常疏水的，因此不可能直接配制到水基油墨中。研究人員因此使用了一種經(jīng)過(guò)化學(xué)改性的石墨烯——也被稱為石墨烯氧化物（GO）——來(lái)代替。GO可在水中進(jìn)行處理，并建立所需的結(jié)構(gòu)。”
簡(jiǎn)單地說(shuō)，它具有類似塑料線材的功能。García-Tuñon Blanca告訴記者稱：“我們的配方材料擁有熔融沉積式3D打印工藝中所需要的流動(dòng)性和物理性能：他們能夠流過(guò)很小的噴嘴，并在通過(guò)后立即固化，保留形狀。”她說(shuō)，“我們用這種二維物質(zhì)作為構(gòu)建材料以創(chuàng)建宏觀3D結(jié)構(gòu)。我們使用的技術(shù)被稱為直接墨水書(shū)寫(xiě)（DIW）也被稱為直接寫(xiě)組件（DWA），或Robocasting。”
據(jù)研究人員介紹，這種石墨烯“線材”能夠通過(guò)擠出頭3D打印100微米層厚的對(duì)象。而García-Tuñon感覺(jué)它也可以適用于其它的層厚設(shè)置。一旦3D打印成指定的結(jié)構(gòu)之后，這個(gè)石墨烯對(duì)象還需要進(jìn)行熱處理，以確保它具有石墨烯的所有特性。在此之后，這些3D打印對(duì)象就可以用于各種處理，并且仍然會(huì)保持其石墨烯的性質(zhì)。
顯微鏡下的3D打印石墨烯。
由此來(lái)看，這項(xiàng)研究似乎是非常成功的，盡管 García-Tuñon指出，“在增材制造和石墨烯技術(shù)方面仍然有許多挑戰(zhàn)需要克服。[...]離我們能夠直接3D打印出一臺(tái)多材料、多部件、可實(shí)際使用的設(shè)備還有很長(zhǎng)的路要走。
作為此次研發(fā)項(xiàng)目的一部分，科學(xué)家們正在為其石墨烯線材尋找特定的應(yīng)用，比如柔性電子等。他們還聯(lián)手Imperial Innovations共同探索他們的3D打印石墨烯技術(shù)的商業(yè)化路徑。據(jù)說(shuō)他們的一些工業(yè)合作伙伴已經(jīng)接近開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的應(yīng)用。 一項(xiàng)正在進(jìn)行中的計(jì)劃是為機(jī)器人結(jié)構(gòu)3D打印石墨烯“皮膚”。
欲了解更多信息，請(qǐng)觀看下面這個(gè)對(duì)García-Tuñon進(jìn)行簡(jiǎn)短采訪的視頻：
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