弗吉尼亞理工大學和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員開發了一種使用石墨烯3D打印復雜物體的新方法，石墨烯是電池和航空航天工業中使用最高性能的材料之一。

以前，研究人員只能在2D板材或基本結構中打印這種材料，稱為石墨烯。已經進行了多次3D打印嘗試，但是純石墨烯太粘而不能通過材料擠出進行3D打印。即使作為熱聚合物基質中的復合材料，已經證明通過激光燒結和立體光刻工藝進行加工也具有挑戰性。一些相對較小的成功已經看到用于導電熱聚合物長絲的材料。

但弗吉尼亞理工大學的工程師現在已經合作開展了一個項目，該項目允許他們以比打印前更高的分辨率3D打印石墨烯對象，從而解鎖了理論上創建任何尺寸或形狀的石墨烯的能力。

“與已經完成的工作相比，這是一項重大突破，我們可以獲得幾乎任何所需的結構。”

Xiaoyu“Rayne”Zheng，工程學院機械工程系助理教授，先進制造與超材料實驗室主任。

由于其強度-石墨烯是地球上測試過的最強材料之一-其高導熱性和導電性，3D打印的石墨烯對象在某些行業中將備受矚目，包括電池，航空航天，分離，熱管理，傳感器和催化。

石墨烯是以六邊形晶格組織的單層碳原子。當石墨烯片整齊地堆疊在彼此之上并形成三維形狀時，它變成石墨，通常稱為鉛筆中的“鉛”。由于石墨是簡單的石墨烯包裝在一起，因此它具有相當差的機械性能。但是如果石墨烯片與充滿空氣的孔分離，則三維結構可以保持其性質。該多孔石墨烯結構稱為石墨烯氣凝膠。

“現在設計師可以設計由相互連接的石墨烯片組成的三維拓撲結構，”工程學院機械工程系助理教授，先進制造與超材料實驗室主任Xiaoyu“Rayne”Zheng說。“這種新的設計和制造自由度將以往石墨烯氣凝膠無法實現的強度，導電性，傳質，強度和重量密度的方式加以優化。”

鄭，也是大分子創新研究所的附屬教員，已獲得研究納米級材料的資助，并將其擴展到輕型和功能性材料，用于航空航天，汽車和電池。以前，研究人員可以使用擠壓工藝打印石墨烯，有點像擠牙膏，但這種技術只能創建堆疊在自身頂部的簡單物體。

“由于擠壓，你可以創造非常有限的結構，因為沒有支撐，分辨率非常有限，所以你無法獲得自由形狀因素，”鄭說。“我們所做的就是將這些石墨烯層設計成任何你想要的高分辨率形狀。”

來自弗吉尼亞理工大學工程學院和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員開發了一種新的3D打印石墨烯工藝，這是迄今為止測試過的最強材料之一，其分辨率比以往任何時候都高出一個數量級。

這個項目是在三年前開始的，RyanHensleigh在加利福尼亞州利弗莫爾的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室實習。Hensleigh開始與鄭先生合作，后者當時是勞倫斯利弗莫爾國家實驗室技術人員。當鄭在2016年加入弗吉尼亞理工大學的教師時，Hensleigh作為一名學生跟隨并繼續從事該項目。

為了創造這些復雜的結構，Hensleigh開始使用氧化石墨烯，石墨烯的前體，交聯片材以形成多孔水凝膠。用超聲波破碎氧化石墨烯水凝膠并添加光敏丙烯酸酯聚合物，Hensleigh可以使用投影微立體光刻法創建所需的固體3D結構，其中石墨烯氧化物被捕獲在長而剛性的丙烯酸酯聚合物鏈中。最后，Hensleigh將3D結構放置在爐子中以燒掉聚合物并將物體融合在一起，留下純凈輕質的石墨烯氣凝膠。

最近與勞倫斯利弗莫爾國家實驗室合作者在MaterialsHorizons雜志上發表的這項工作的關鍵發現是，研究人員創造了石墨烯結構，其分辨率比以往打印的數量級更精細。Hensleigh說其他工藝可以打印到100微米，但新技術使他能夠以低至10微米的分辨率打印，這接近實際石墨烯片的大小。

“我們已經能夠證明可以制作一個復雜的三維石墨烯結構，同時仍保留一些內在的主要特性，”鄭表示。“通常當你嘗試3D打印石墨烯或放大時，你會失去大部分機械性能。”

合作者包括鄭氏實驗室的博士生HuachenCui和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的六個人-詹姆斯奧克戴爾，葉建超，帕特里克坎貝爾，埃里克杜斯，克里斯托弗斯巴達奇尼和馬庫斯沃斯利。Zheng和Hensleigh由空軍青年研究員獎(JaimieS.Tiley博士)和國家科學基金會(CMMI1727492)資助。