近日消息，3D打印的石墨烯氣凝膠材料被吉尼斯世界紀(jì)錄公司宣布為“世界上密度最小的的材料”。該材料密度只有0.5毫克每立方厘米，各項(xiàng)性能非常優(yōu)秀，可廣泛應(yīng)用于柔性驅(qū)動(dòng)器、柔性機(jī)器人、傳感器、可變形電極材料、藥物傳輸和投放、超輕隔熱保溫及防護(hù)材料等。
氣凝膠是一種用途廣泛的物質(zhì)，是世界上密度最小的固體，密度僅為3千克每立方米。這種海綿狀的物體也是絕佳的熱與光學(xué)絕緣體，據(jù)了解，近年來(lái)利用3D打印機(jī)就可以制造出這種凝膠。在各種氣凝膠中，石墨烯氣凝膠是關(guān)注度最高的一種，因?yàn)樗梢詰?yīng)用在電子部件的電池和觸媒中。
3D打印石墨烯氣凝膠的正方形樣品非常輕便，可以掛在麥芒上而不會(huì)彎曲。該材料 被吉尼斯世界紀(jì)錄公司宣布為世界上最輕的3D打印材料。
近日消息，3D打印的石墨烯氣凝膠材料被吉尼斯世界紀(jì)錄公司宣布為世界上最輕的3D打印材料。該材料密度是如此之小，可以安全放在花瓣或棉花上。該材料是由美國(guó)堪薩斯州立大學(xué)工業(yè)與制造系統(tǒng)工程助理教授林東、布法羅大學(xué)工業(yè)與系統(tǒng)工程助理教授Chi Zhou和蘭州大學(xué)副教授張強(qiáng)強(qiáng)共同制備的。
石墨烯氣凝膠輕如鴻毛
吉尼斯世界紀(jì)錄將石墨烯氣凝膠命名為“密度最小的的3D打印結(jié)構(gòu)材料”。 3D打印石墨烯氣凝膠密度只有0.5毫克每立方厘米。研究人員于2016年2月制備了材料，并得到了吉尼斯世界紀(jì)錄的正式認(rèn)可。他們的成就將在“吉尼斯世界紀(jì)錄2018版”中亮相。
“石墨烯是一種革命性的材料，它的氣凝膠形式也同樣重要，”林說(shuō)。“我們研發(fā)的的3D打印石墨烯氣凝膠各項(xiàng)性能非常優(yōu)秀，可廣泛應(yīng)用于柔性驅(qū)動(dòng)器、柔性機(jī)器人、傳感器、可變形電極材料、藥物傳輸和投放、超輕隔熱保溫及防護(hù)材料等。
石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，是一種只有一個(gè)原子層厚度的準(zhǔn)二維材料。由于其十分良好的強(qiáng)度、柔韌、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、光學(xué)特性，在物理學(xué)、材料學(xué)、電子信息、計(jì)算機(jī)、航空航天等領(lǐng)域都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。
3D打印石墨烯的工藝同樣具有開(kāi)創(chuàng)性
堪薩斯州立大學(xué)工業(yè)與制造系統(tǒng)工程助理教授林東持有三維印刷石墨烯氣凝膠樣品，吉尼斯世界紀(jì)錄公司將其稱為“密度最小的3D打印材料”。
制備工藝過(guò)程
該項(xiàng)研究的3D打印石墨烯氣凝膠材料具有開(kāi)創(chuàng)性，而且制備工藝同樣具有開(kāi)創(chuàng)性。研究人員使用兩個(gè)噴嘴的改進(jìn)型噴墨打印機(jī)，他們?cè)诶洳毓裰袑?D石墨烯氧化物和水混合物的液滴印刷在零下20攝氏度的冷板上。這種方法創(chuàng)造出石墨烯和冷凍水的3D冰結(jié)構(gòu)，這有助于石墨烯保持其形狀。當(dāng)打印完成時(shí)，研究人員將3-D材料放在冷凍干燥器中，通過(guò)提供高真空和低溫環(huán)境來(lái)除去冰，剩下的就是是三維石墨烯氣凝膠材料，可以在室溫下保持其形狀。使用這種方式制作出來(lái)的3D打印石墨烯氣凝膠密度在0.5-10毫克每立方厘米，具有相當(dāng)高的電導(dǎo)系數(shù)和壓縮系數(shù)。
這種全新方式的關(guān)鍵就在于凍結(jié)鑄造法與3D打印的結(jié)合，打印過(guò)程中的溫度為-25°C，在這么低的溫度下，每一層沉積物會(huì)快速凍結(jié)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)便可建造一個(gè)氧化石墨烯冰制支撐結(jié)構(gòu)（冰制制成結(jié)構(gòu)是由另外一臺(tái)裝入水的打印機(jī)打印出來(lái)的），然后每一層新的沉積層都會(huì)融化掉下面冰凍的頂部，這就使得石墨烯可以在再次冰凍之前自由結(jié)合。這種刺激氫鍵形成的步驟大大提高了3D打印的結(jié)構(gòu)完整性。
石墨烯氣凝膠的應(yīng)用
石墨烯三維結(jié)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)也讓他們?cè)谒幚恚呋瘎?，隔熱，微控?qū)動(dòng)，電學(xué)器件，傳感等各個(gè)方向存在潛在應(yīng)用。但真正接近工業(yè)級(jí)的幾乎沒(méi)有，最大的原因還是太貴。
1. 水處理
石墨烯氣凝膠有很好的親油性，而且由于其超彈性和多孔性，可用于海洋費(fèi)油處理等。超低的密度賦予了它單克吸附油品高達(dá)幾百克的優(yōu)異性能，而且后續(xù)無(wú)論是通過(guò)擠壓或者燃燒除去油品，整個(gè)氣凝膠結(jié)構(gòu)保持完好使其能夠可持續(xù)使用。圖片源于（JMCA, 2014,2,2934-2941）
2. 催化劑載體
上海交大的馮新亮教授通過(guò)在氣凝膠中負(fù)載上四氧化三鐵納米粒子，最后發(fā)現(xiàn)負(fù)載上四氧化三鐵納米粒子的氣凝膠的催化劑性能優(yōu)于單純的四氧化三鐵納米粒子，這其實(shí)是可以預(yù)見(jiàn)的（JACS, 2012, 134: 9082-9085）。因?yàn)闅饽z材料的多孔性（>99%）和大比較面積，當(dāng)催化劑顆粒均勻負(fù)載在氣凝膠上時(shí)，實(shí)際參與反應(yīng)的催化劑與反應(yīng)物的接觸面積是大于單純的納米顆粒的。氣凝膠的作用相當(dāng)于納米顆粒從堆疊的變?yōu)榉稚⒌?。也就是說(shuō)氣凝膠可以很好的作為催化劑的一種載體或者說(shuō)是固定劑。
3. 傳感器
長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)所陳衛(wèi)研究員提出了基于石墨烯氣凝膠載體的SnO2顆粒用于空氣中NO2氣體監(jiān)測(cè)的應(yīng)用（Analytical Chemistry,2015, 87,1638-1645）。原理如下：SnO2（半導(dǎo)體）在還原性氣體氛圍下導(dǎo)電性增加，在氧化性氣體氛圍下導(dǎo)電性減弱，但目前SnO2的一些缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用，例如室溫下導(dǎo)電性差，基于SnO2的氣體傳感器工作溫度高（H2：170-200℃，CO: 200℃），合成過(guò)程中SnO2容易團(tuán)聚導(dǎo)致性能降低等。而利用石墨烯氣凝膠作為載體，然后負(fù)載上SnO2顆粒后幾乎完美地解決了這些問(wèn)題，首先導(dǎo)電性得到很大提高，其次阻止了其團(tuán)聚，連工作溫度都下降到了50℃，使得在常溫下應(yīng)用成為可能。這其中也是利用了石墨烯氣凝膠具有較好的導(dǎo)電性。
