Cientistas da Rice University colocaram camadas de grafeno induzido por laser e construíram um protótipo que molda os blocos 3-D resultantes em formas sofisticadas. A espuma oferece novas possibilidades para armazenamento de energia e aplicações flexíveis de sensores eletrônicos. Crédito:Tour Group / Rice University
Cientistas da Rice University desenvolveram uma maneira simples de produzir condutores, objetos tridimensionais feitos de espuma de grafeno.
Os sólidos moles têm a aparência de um brinquedo de criança, mas oferecem novas possibilidades para armazenamento de energia e aplicações de sensores eletrônicos flexíveis, de acordo com o químico James Tour, da Rice.
A técnica detalhada em Materiais avançados é uma extensão do trabalho inovador do Laboratório Tour que produziu o primeiro grafeno induzido por laser (LIG) em 2014, aquecendo folhas de plástico de poliimida baratas com um laser.
O laser queima na metade do plástico e transforma a parte superior em flocos interconectados de carbono 2-D que permanecem presos à metade inferior. O LIG pode ser feito em padrões de macroescala à temperatura ambiente.
O laboratório estendeu sua técnica para criar LIG em madeira e até em alimentos, mas objetos 3-D de grafeno puro eram menos práticos até agora, Tour disse.
"Agora, construímos um protótipo de máquina que nos permite fazer espuma de grafeno em objetos 3-D por meio de camadas sucessivas automatizadas e exposição a laser, "Tour disse." Isso realmente traz o grafeno para a terceira dimensão, sem fornos ou a necessidade de catalisadores de metal, e nosso processo é facilmente escalado. "
Cientistas da Rice University estão fazendo espuma de grafeno induzido por laser (LIG) 3-D por meio de um processo automatizado que começa transformando a camada superior de uma folha de poliimida (PI) em grafeno (topo), empilhar outra camada na parte superior (centro) com etilenoglicol (EG) como um aglutinante e, em seguida, queimar o PI da camada superior em grafeno também (parte inferior). O processo é repetido conforme necessário para construir um bloco 3-D que pode ser moldado. Crédito:Tour Group / Rice University
O novo método é baseado na fabricação de objetos laminados, em que as camadas de um material são montadas e, em seguida, cortadas na forma. Nesse caso, a camada inferior LIG permanece presa à sua base de poliimida. Uma segunda camada é revestida com etilenoglicol e colocada voltada para baixo na primeira, como um sanduíche de geleia. Seu topo de poliimida é então queimado em grafeno; o processo é repetido até que o bloco seja concluído.
O aglutinante de etilenoglicol é evaporado em uma placa quente, e qualquer poliimida restante pode ser removida em um forno. Isso deixa um imaculado, bloco de carbono esponjoso, disse Duy Xuan Luong, um estudante de pós-graduação da Rice e co-autor principal do artigo. O laboratório Rice empilhou até cinco camadas de espuma e então usou um sistema de laser de fibra customizado em uma impressora 3-D modificada para moer o bloco em formas complexas.
O laboratório montou capacitores de íon-lítio prova de conceito que usavam LIG 3-D como ânodos e cátodos. A capacidade gravimétrica do ânodo de 354 miliamperes / hora por grama se aproximou do limite teórico de grafite, enquanto a capacidade do cátodo excedeu a capacidade média de outros materiais de carbono. As células de teste completas retiveram cerca de 70 por cento de sua capacidade após 970 ciclos de carga-descarga.
O estudante de graduação da Universidade Rice, Duy Xuan Luong, suspende um bloco tridimensional de grafeno induzido por laser no topo de dois salgueiros. O laboratório usa um laser industrial para transformar plástico de poliimida barato em espuma de grafeno em temperatura ambiente, e então une as folhas para produzir peso leve, grafeno 3-D condutor. Crédito:Rice University
"Este é um excelente desempenho nesses capacitores de íon-lítio de nova geração, que capturam as melhores propriedades das baterias de íon-lítio e condensadores híbridos, "Tour disse.
Os pesquisadores então infundiram um bloco de LIG 3-D com polidimetilsiloxano líquido através de seus poros de 20 a 30 nanômetros. Isso criou um mais forte, ainda flexível, material condutor sem alterar a forma original da espuma. A partir deste material, eles fizeram um sensor flexível que registrou com precisão o pulso do pulso de um voluntário e disseram que uma calibração adicional do dispositivo permitiria que extraíssem a pressão sanguínea da forma de onda do pulso.
