Nanotecnólogos de las universidades de Rice y Tianjin han utilizado la impresión láser tridimensional para producir cubos de tamaño centímetro de grafeno atómicamente delgado.

La investigación podría producir cantidades industriales de grafeno a granel y se describe en línea en un nuevo estudio en la revista Nano de la American Chemical Society.

«Este estudio es el primero de su tipo», dijo el químico de Rice James Tour, co-autor correspondiente del documento. «Hemos demostrado cómo hacer espumas de grafeno 3-D sobre mateiales de partida de no grafeno, y el método se presta a ser escalado a espumas de grafeno para aplicaciones de fabricación de aditivos con control de tamaño de poro».

El grafeno, uno de los nanomateriales más intensamente estudiados de la década, es una hoja bidimensional de carbono puro que es a la vez ultrafuerte y conductora. Los científicos esperan utilizar el grafeno para todo, desde la nanoelectrónica y los descongeladores de aviones hasta las baterías y los implantes óseos. Pero la mayoría de las aplicaciones industriales requerirían grandes cantidades de grafeno en una forma tridimensional, y los científicos han luchado para encontrar formas sencillas de crear grafeno 3-D a granel.

Por ejemplo, los investigadores del laboratorio de Tour comenzaron a usar láseres, azúcar en polvo y níquel para fabricar espuma de grafeno 3-D a fines de 2016. A principios de este año mostraron que podrían reforzar la espuma con nanotubos de carbono, lo que produjo un material llamado ‘grafeno reforzado’ que podría conservar su forma mientras soporta 3.000 veces su propio peso. Pero fabricarlo no era una tarea sencilla. Requiere un molde pre-fabricado en 3-D, un proceso de deposición de vapor químico de 1.000 grados Celsius y casi tres horas de calefacción y enfriamiento.

En el último estudio, un equipo del laboratorio de Tour y los laboratorios de Jun Luo de Rice y Naiqin Zhao de Tianjin adaptaron una técnica de impresión tridimensional común para fabricar bloques de espuma de grafeno de tamaño de dedos. El proceso se lleva a cabo a temperatura ambiente. No se requieren moldes y los materiales de partida son azúcar en polvo y polvo de níquel.

«Este método sencillo y eficiente elimina la necesidad de moldes de prensado en frío y tratamiento de alta temperatura», dijo en un comunicado Junwei Sha, ex alumno del laboratorio de Tour, que es ahora un investigador postdoctoral en Tianjin. «También deberíamos ser capaces de usar este proceso para producir tipos específicos de espuma de grafeno como el grafito de corrugado impreso en 3D, así como espuma de grafeno dopada con nitrógeno y azufre, cambiando los polvos precursores».

Las impresoras láser tridimensionales funcionan de manera diferente que las impresoras tridimensionales más conocidas, que crean objetos al comprimir el plástico fundido a través de una aguja mientras trazan patrones bidimensionales.

En la sinterización láser 3-D, un láser brilla sobre un lecho plano de polvo. Dondequiera que el láser toca el polvo, se funde o sinteriza el polvo en una forma sólida. El láser se rastrea, o se mueve hacia adelante y hacia atrás, línea por línea para crear una única lámina bidimensional de un objeto más grande. Luego se coloca una nueva capa de polvo sobre la parte superior de esa capa y se repite el proceso para construir objetos tridimensionales a partir de capas sucesivas bidimensionales.

El nuevo proceso de Rice utilizó un láser de CO2 comercialmente disponible. Cuando este láser se apuntó sobre el azúcar y el polvo de níquel, el azúcar se fundió y el níquel actuó como un catalizador. El grafeno se formó cuando la mezcla se enfrió después de que el láser se trasladó al azúcar de fusión en el siguiente punto, y Sha y sus colegas llevaron a cabo un exhaustivo estudio para encontrar la cantidad óptima de tiempo y potencia láser para maximizar la producción de grafeno.

La espuma creada por el proceso es una forma 3-D de baja densidad de grafeno con poros grandes que representan más del 99 por ciento de su volumen.

«Las espumas de grafeno 3-D preparadas por nuestro método son prometedoras para aplicaciones que requieren la creación rápida de prototipos y la fabricación de materiales de carbono 3-D, incluyendo almacenamiento de energía, amortiguación y absorción de sonido», dijo Yilun Li, estudiante graduado de Rice.

Fuente: Europa Press