3D Baskılı Grafen Köpük Oluşturuldu
3 boyutlu baskılı grafen köpüğün taramalı elektron mikroskobu (sol) ve transmisyon elektron mikroskobu (sağ) görüntüleri.
Rice Üniversitesi ve Çin Tianjin Üniversitesi’ndeki nanoteknologlar, ince grafeni atomik olarak santimetre boyutunda nesneleri üretmek için 3 boyutlu lazer baskı kullandılar. Araştırma, endüstriyel olarak fazla miktarda grafen yığını verebilir ki bu da American Chemical Society Dergisi ACS Nano’daki yeni bir çalışmada anlatılmıştır. Yazının eş yazarı ve Rice Kimyageri James Tour, ‘Bu çalışma, benzerlerinin ilk örneğidir.’ diyor. ‘Nanografen başlangıç malzemelerinden 3 boyutlu grafen köpüğün nasıl yapıldığını gösterdik ve bu metot, katkı imalatı için gözenek boyutu kontrolü ile grafen köpük ölçeklendirmesini geliştirdi.
Grafen; son 10 yılın en yoğun çalışılan nanomalzemelerinden biri ve hem ultra güçlü hem de iletken iki boyutlu saf bir karbon tabakasıdır. Bilim adamları, nanoelektronik ve uçak buz çözücüleri batarya ve kemik implantlarına kadar her alanda grafen kullanılmasını umuyorlar. Fakat birçok endüstriyel uygulamada grafen yığını miktarı 3 boyutlu formda gerekecektir ve bilim adamları 3 boyutlu grafen oluşturmak için daha basit yollar bulmak için çabalamaktadırlar.
Örneğin; 2016’nın sonlarında, Tour’un laboratuvarındaki araştırmacılar 3 boyutlu grafen köpük oluşturmak için lazer, toz şeker ve nikal kullanmaya başladılar. 2016 başında karbon nanotübü ile güçlendiklerini gösterdiler. Bu malzeme kendi ağırlığının 3000 katını taşırken şeklini koruyabilir ve inşaat demiri adı verilen bir malzeme üretebilir. Ancak inşaat demiri basit bir yapı değildir. 3 boyutlu prefabrik bir kalıp 1000 ̊̊̊C kimyasal buhar birikimi (CVD) işlemi gerekmektedir ve bu ısıtma-soğutma işlemleri yaklaşık üç saat sürmektedir.
Son yapılan çalışmada Tour’un laboratuar ekibi Rice Üniversitesi’nden Jun Luo ve Tianjin Üniversitesi’nden Naiqin Zhao, yaygın 3 boyutlu baskı tekniğini, parmak ucu boyutlarında grafen köpüğü bloklarını yapmak için uyarladılar. Bu süreç, oda sıcaklığında gerçekleşmektedir. Herhangi bir kalıp gerekmemekte ve başlangıç malzemeleri toz şeker ve nikel tozudur.
Yardımcı yazar Junwei Sha -Tour’un laboratuvarındaki eski öğrencisi, şu anda Tianjin Üniversitesi mezunu- ‘Bu basit ve verimli metot, hem soğuk pres kalıbı hem de yüksek sıcaklıktaki CVD işlemi için gerekliliği ortadan kaldırıyor.’ diyor. Bu işlem, grafenin 3 boyutlu baskılı inşaat grafeni veya azot ve kükürt katkılı grafen köpüğü gibi özel türlerini üretmek için kullanılabilir.
3 boyutlu lazer yazıcılar, ekstrüzyon temelli 3 boyutlu yazıcılardan farklı çalışır ki bunlar erimiş plastik malzemenin iki boyutlu modellerini oluştururlar. 3 boyutlu lazer sinterlemede lazer, düz bir toz yatağında parlar. Lazerin tozla temas ettiği her yerde toz erir veya sinterlenir. Lazer, daha büyük bir nesnenin 2 boyutlu halini tek satırda oluşturmak için örüntülenir veya ileri geri hareket eder. Sonrasında yeni toz katmanı en üstteki katmana yerleşir ve bu işlem 2 boyutlu katmanlardan 3 boyutluları oluşana kadar tekrarlanır.
Rice’ın yeni prosesinde piyasadaki CO2 lazer kullanıldı. Bu lazer, şeker ve nikel tozu üzerinde parladığında şeker eritilir ve nikel katalizör işlevi görür. Karışım; lazer, şekeri eritmek için hareket ettiğinde soğudu ve grafen formunu aldı. Sha ve çalışma arkadaşları bir sonraki aşamada, grafen üretimini en üst seviyeye çıkarmak için optimum zaman ve lazer gücünü bulmak için detaylı bir çalışma yaptılar. Proses tarafından oluşturulan köpük; düşük yoğunluklu, geniş gözenekli 3 boyutlu grafendir ve kendi hacminin %99’undan fazlasını oluşturmuştur.
Eş başkan yazar, Rice yüksek lisans öğrencisi Yilun Li, ‘Bu yöntemle hazırlanan 3 boyutlu grafen; 3 boyutlu karbon malzeme –enerji depolama, sönümleme, ses emme dahil- prototip ve üretimi konusunda umut verici.’ diyor.
Tour, T.T. ve W.F. Chao Chair Kimya Bölümü ve Rice Üniversitesi Bilgisayar Bilimi ve malzeme ve nano mühendislik profesörüdür. Ortak yazarlar arasında Rice Üniversitesi’nden Rodrigo Villegas Salvatierra, Tuo Wang, Pei Dong, Yongsung Ji, Seoung-Ki Lee, Chenhao Zhang, Jibo Zhang, Pulickel Ajayan ve Robert Smith- Qualified Rapid Products West Jordan, Utah- bulunmaktadır.
Araştırma; Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi ve Çok Disiplinli Üniversite Araştırma Ofisi, Çin Burs Konseyi, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Devlet Temel Programı, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı, Tianjin Özel Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı ve Evrensel Lazer Sistemleri tarafından destekleniyor.
Kaynak : sciencedaily.com
