盡管目前大多數(shù)桌面級3D打印機都僅限于塑料線材，但許多制造專家都認為，該技術更多的創(chuàng)造潛力蘊藏在范圍更廣的其它材料及其應用特性上，比如石墨烯這種神奇的高科技材料。因此，當倫敦一個科學家團隊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注的目光。
眾所周知，石墨烯是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料，只有一個碳原子的厚度。它有很多有趣的特性：幾乎完全透明、導電性強、可彎折、機械強度好（比鋼強約一百倍）。從它2004年第一次被成功制造出來之后，就被科技界廣泛看好，認為它是一種顛覆性的全新材料。
原子水平的石墨烯結構
近日，來自倫敦帝國學院材料系的一個研究團隊，由Esther Garcia Tunon Blanca、Suelen Barg、Victoria Garcia Rocha和Eduardo Saiz Gutierrez教授組成，并聯(lián)合來自Warwick大學、Bath大學和de Santiago de Compostela大學的團隊，找到了一種3D打印石墨烯的方法。
他們開發(fā)的這種技術主要基于FDM 3D打印，已經(jīng)發(fā)表在今年1月份出版的《Advanced Materials》雜志上，標題《為使用石墨烯進行三維度打?。≒rinting in Three Dimensions with Graphene）》。
這里需要說明的是，要制造石墨烯對象需要精準地復制出石墨烯六邊形圖案。為了做到這一點，倫敦帝國學院的團隊開發(fā)出了一種“FDM線材”，這種線材含有混合了響應型聚合物（可誘導觸發(fā)某種行為的聚合物）的石墨烯薄片。在這種情況下，石墨烯薄片的化學屬性發(fā)生了一定的變化，使其具有了適當?shù)恼硰椥?，并能與上下層石墨烯薄片結合在一起。
最初，研究團隊的目標是3D打印完整的石墨烯結構，而非復合材料。這在一個水基體系里似乎是能夠實現(xiàn)的。但該項研究的負責人Esther García-Tuñon Blanca解釋說，這實際上是不可能的。“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)過化學改性的石墨烯——也被稱為石墨烯氧化物（GO）——來代替。GO可在水中進行處理，并建立所需的結構。”
簡單地說，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性和物理性能：他們能夠流過很小的噴嘴，并在通過后立即固化，保留形狀。”她說，“我們用這種二維物質(zhì)作為構建材料以創(chuàng)建宏觀3D結構。我們使用的技術被稱為直接墨水書寫（DIW）也被稱為直接寫組件（DWA），或Robocasting。”
據(jù)研究人員介紹，這種石墨烯“線材”能夠通過擠出頭3D打印100微米層厚的對象。而García-Tuñon感覺它也可以適用于其它的層厚設置。一旦3D打印成指定的結構之后，這個石墨烯對象還需要進行熱處理，以確保它具有石墨烯的所有特性。在此之后，這些3D打印對象就可以用于各種處理，并且仍然會保持其石墨烯的性質(zhì)。
顯微鏡下的3D打印石墨烯。
由此來看，這項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打印出一臺多材料、多部件、可實際使用的設備還有很長的路要走。
作為此次研發(fā)項目的一部分，科學家們正在為其石墨烯線材尋找特定的應用，比如柔性電子等。他們還聯(lián)手Imperial Innovations共同探索他們的3D打印石墨烯技術的商業(yè)化路徑。據(jù)說他們的一些工業(yè)合作伙伴已經(jīng)接近開發(fā)出相應的應用。 一項正在進行中的計劃是為機器人結構3D打印石墨烯“皮膚”。
欲了解更多信息，請觀看下面這個對García-Tuñon進行簡短采訪的視頻：
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