近日，美国堪萨斯州立大学研究人员成功研发了一种3D打印石墨烯气凝胶制造技术，据了解，这是一种将3D打印技术与冻结铸造结合起来的全新方式。

日前，美国堪萨斯州立大学（K-State）的研究人员研发出一种新技术，可以制造出就有复杂微观结构的超轻石墨烯气凝胶。研究人员们希望这一新技术能够为此类材料开辟新的用途。

这种3D打印的石墨烯氧化物气凝胶轻到可以安稳地放在一团松散的棉花上。

所谓的气凝胶，是一种具有海绵状结构的低密度材料。它可以用于很多重要的用途，比如作为热和光的绝缘体等。而研究人员们尤为感兴趣的是石墨烯与气凝胶相结合所获得的一些特别的属性，比如高压缩性、高电导率和一直被热捧的在制造可能的减震结构、固态电池和催化剂等方面的用途。

尽管很多人将3D打印技术看作使用石墨烯气凝胶材料制造复杂结构来用于上述应用的一个很有前途的方法。但是实际做起来远非那么简单。“为了能够进行3D打印你需要首先改变石墨烯的粘度，因为它是真的很高。”堪萨斯州立大学的林栋博士说。

气凝胶是一种用途广泛的物质，是世界上密度最小的固体，密度仅为3千克每立方米。这种海绵状的物体也是绝佳的热与光学绝缘体，据了解，近年来利用3D打印机就可以制造出这种凝胶。在各种气凝胶中，石墨烯气凝胶是关注度最高的一种，因为它可以应用在电子部件的电池和触媒中。

目前，石墨烯气凝胶的制造方式大多依靠喷墨式打印机，将石墨烯和聚合物或者二氧化硅的混合物打印出来，然后将不需要的聚合物或者二氧化硅燃烧掉，或者使用化学方式去除，不过这两种方式都很容易对石墨烯结构造成伤害。我们知道，对于打印技术来说，打印外伸物相当不容易，堪萨斯州立大学的研究员们希望能够创建一种全新的3D打印石墨烯气凝胶方式，免除上述步骤，并且打印出来的气凝胶结构复杂，包含外伸部分。另外这种层叠式的打印技术很难制造出像悬浮物那样的复杂结构。由于其分层结构，3D打印气凝胶也往往会导致材料的物理性能更差。

而林栋博士和同事们的技术使他们能够克服这些问题。他们将石墨烯氧化物与水混合在一起，然后再零下25摄氏度的温度下将其3D打印到一个表面上。这样每打印出来的一层都会被冰冻住，然后在冰的支持下再打印下一层。而且，他们发现当沉积这些石墨烯氧化悬浮物到冷冻结构上时，未冻的材料会解冻已经结冰的表面，从而造成层与层之间自由混合并重新结冰，形成了氢键和并改善了气凝胶结构的完整性。另外通过使用第二个注满纯水的3D打印机喷嘴，他们也可以创建复杂结构，因为水形成了冰支撑，在此基础上他们就能层积石墨烯氧化悬浮物。

这种全新方式的关键就在于冻结铸造法与3D打印的结合，打印过程中的温度为-25°C，在这么低的温度下，每一层沉积物会快速冻结，研发团队便可建造一个氧化石墨烯冰制支撑结构（冰制制成结构是由另外一台装入水的打印机打印出来的），然后每一层新的沉积层都会融化掉下面冰冻的顶部，这就使得石墨烯可以在再次冰冻之前自由结合。这种刺激氢键形成的步骤大大提高了3D打印的结构完整性。

最后，将产生的气凝胶至于液氮中进行冷冻干燥以去除水分，然后加热使其成为气凝胶。根据这种技术，研究者们能够创建出密度范围在0.5到10毫克每立方厘米的气凝胶，而且其具有良好的导电性和高压缩性。

打印完成后，再把这些冻干的石墨烯气凝胶放入液态氮中，使其从冰制支撑结构中脱离。使用这种方式制作出来的3D打印石墨烯气凝胶密度在0.5-10毫克每立方厘米，具有相当高的电导系数和压缩系数。这种有趣的3D打印方式无疑为增材制造在原型制作应用方面提供了更多的可能性

如今，研究人员希望能够进一步研究他们的多喷嘴方法是否可以使用多种材料创建气凝胶结构。

美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员近日宣布，他们3D打印出了轻量级石墨烯气凝胶，这种气凝胶具有超级可压缩性，提供高达90％的压缩应变。通过直接使用油墨进行3D打印，LLNL的研究人员已经能够设计出一种革命性的架构，实现了传感器、液流电池、分离器等支持的有效机械传输。

“使用一种可控、可量度的制造方法来根据特定的应用，设计出定制的宏观架构来制造石墨烯气凝胶，已经成了我们能够解决的挑战。”工程师Marcus Worsley说，他是相关论文的共同作者之一，该论文已经发表在了4月22日版的《Nature Communications》上。

“3D打印可以实现气凝胶孔结构的智能设计，从可以控制它的质量传输（由于其小而曲折的孔结构，气凝胶通常需要很高的压力梯度才能实现质量传输）和物理属性的优化，比如刚性等。这一进展为将气凝胶用于新颖和创造性的应用开拓了设计空间。”

在这一新的工艺中，研究人员使用的是还有石墨烯氧化物（GO）成分的打印油墨。这种油墨是由水性石墨烯氧化物悬浮液和二氧化硅填料组成的，在3D打印时通过一个微型喷嘴挤出。

通过3D打印制造出的石墨烯气凝胶微格（microlattice）具有优异的导电性和高表面积，可以作为一种存储能量的新载体，并可用于传感器、纳米电子学、催化、分离等应用。

“在气凝胶上采用3D打印技术可以制造出无数复杂的气凝胶架构以供应用，比如其机械性能和可压缩性，这是从来没有过的成就。”该论文的另一合作者Cheng Zhu说。

3D打印新工艺 石墨烯气凝胶更精细

石墨烯是一种拥有独特性质的二维材料，但要对其展开充分的利用，必须将之以 3D 的形式重现。好消息是，弗吉尼亚理工大学的研究人员们，已经展示了他们新开发的一种 3D 打印石墨烯气凝胶方案，且其分辨率远高于此前的水准。通常情况下，石墨烯只需要以“单层厚度的碳原子片”的形式出现。尽管其在某些情况下得到了应用，但距离实际投入还很遥远。

新技术让石墨烯气凝胶可以被 3D 打印成更大的形状

简单地堆叠材料，可能会降低其强度和独特的电气、化学、光学性能，因为此时和普通的石墨也没有太大差别了。

不过“石墨烯气凝胶”的多孔形式，设法用空气将 2D 石墨烯的空隙给填满了。其它方法涉及使用激光将石墨烯锻造成 3D 形状、压缩成多孔珊瑚状结构、泡沫 3D 打印、或由碳纳米管支撑。

石墨烯气凝胶重量极轻，甚至可以放在草莓花丝上而不倒。

石墨烯气凝胶的问题在于，将它塑造成所需的形状的方法，做起来一点也不简单。在过去，它能被挤压成瘦至 100 微米的细丝，但难以取得进一步的突破。

而弗吉尼亚理工大学的新研究，就是为了改善这一点。论文作者郑晓宇（音译）表示：“通过这项技术，你可以创造非常有限的结构。但因为没有支撑，其精细度相当受限，无法获得更加自由的形态因素”。

新型 3D 打印石墨烯的扫描电镜显微图像（分辨率为 10 微米的级别）

他们所做的，就是将这些石墨烯层设计成任何你想要的高分辨率形状。为此，研究人员用氧化石墨烯制备了水凝胶，并加入了交联片。然后使用超声波将其分开，与对光敏感的丙烯酸酯聚合物结合。

接着，团队可以用时投影微立体光刻技术 —— 这是一种非常精确的 3D 打印形式，能够在围观尺度上建造结构 —— 创建聚合物的刚性长链、内部则夹着氧化石墨烯。

继续放大至 1 微米的级别

最后，研究人员把混合物置于炉中 —— 烧掉聚合物，并留下石墨烯气凝胶。团队表示，这项技术可以用来制作任何你想要的三维形状石墨烯，且其分辨率精细至 10 微米，较以往提升了一个数量级。

有关这项研究的详情，已经发表在近日出版的《材料新视野》（Material Horizons）期刊上。原标题为：

《Additive manufacturing of complex micro-architected graphene aerogels》

[编译自：New Atlas , 来源：Virginia Tech]

美国新研究 石墨烯气凝胶可直接3d打印

2015-04-24
　　摘要：美国研发发现，可以用3D打印技术将石墨烯气凝胶微晶格直接打印出来，让复杂的气凝胶体系结构更有能力适应广阔的应用。

　　美国能源部所属劳伦斯利福摩尔国家实验室的研究人员，日前用3d打印技术将石墨烯气凝胶微晶格直接打印出来。这种新型石墨烯气凝胶将为能量存储、传感器、纳米电子，以及催化和分选流程带来巨大好处。相关成果发表在4月22日出版的《自然·通信》杂志上。

　　3d打印的石墨烯气凝胶具有高比表面积、优良的电导率、质量轻、有机械刚性且抗超级压力等特性。此外，这种产品在大规模石墨烯材料传质过程（体系中由于物质浓度不均匀而发生的质量转移过程，如蒸馏、萃取等工业流程等。）中显示出较大数量级的提升。

　　气凝胶是一种多孔的超轻合成材料，其中凝胶的液体成分通常被气体取代，因此也被称为“液体烟”。此前，在尝试制造大规模石墨烯气凝胶的过程中，会产生一种较大的随机孔隙结构，这种结构在分选、流体电池和压力传感器等特殊应用中，具有调整材料的运输等机械属性的能力。

　　“石墨烯气凝胶作为以可控和可扩展方式为特殊应用提供量身定做的结构，还面临一定的挑战，而我们现在解决了。”论文合著者、工程师马库斯·沃斯雷说，“3d打印允许我们智能化设计气凝胶的孔洞结构，允许我们对在其中运输的传质过程进行控制，对其本身钢化等物理性能进行优化。”

　　据物理学家组织网4月23日报道，在打印过程中，石墨烯氧化物（go）油墨均匀且具有高粘度，加载到注射器筒后，通过挤压经过喷嘴最后形成3d结构。另一位论文作者、工程师朱成（音）表示：“适应3d打印技术的气凝胶，其力学性能和可压缩性能都是此前工艺无法企及的，这让复杂的气凝胶体系结构更有能力适应广阔的应用。”

  来源： 《科技日报》2015年4月24日