与冷冻铸造相结合的石墨烯气凝胶3D打印技术

美国堪萨斯州立大学研究人员研发了一种新的3D打印石墨烯气凝胶制造技术。这是一种将3D打印技术与冷冻铸造结合起来的全新方式。气凝胶作为一种低密度和海绵状的结构，可以应用于多个领域，特别是可以用于制造热和光绝缘体。近年来，科学家们开始对3D打印技术石墨烯气凝胶进行了探索。前几周诞生的3D打印超级电容器，就是用石墨烯气凝胶制造的。

目前，石墨烯气凝胶的制造方式大多依靠喷墨式打印机，将石墨烯和聚合物或者二氧化硅的混合物打印出来，然后将不需要的聚合物或者二氧化硅燃烧掉，或者使用化学方式去除。如3D科学谷此前报道的，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室，就是使用此类方式3D打印石墨烯气凝胶的。
不过这两种方式都很容易对石墨烯结构造成改变。而对于3D打印来说，难以打印出悬伸结构，堪萨斯州立大学的研究员们希望能够创建一种全新的3D打印石墨烯气凝胶方式，不仅可以免除上述步骤，而且能够打印出来的气凝胶结构复杂，包括悬伸结构。

这种全新方式的关键就在于冻结铸造法与3D打印的结合，打印过程中的温度为-25°C，在这么低的温度下，每一层沉积物会快速冻结，研发团队便可建造一个氧化石墨烯冰制支撑结构。冰是由另外一个打印喷头中打印出来的水经过冷冻形成的。然后每一层新的沉积层都会融化在下层冰冻的顶部，这就使得石墨烯可以在再次冰冻之前自由结合。这种刺激氢键形成的步骤大大提高了3D打印的结构完整性。

打印完成之后，将石墨烯气凝胶放入液态氮中，从而脱离冰支撑结构。使用这种方式制作出来的3D打印石墨烯气凝胶密度在0.5-10毫克每立方厘米，具有相当高的电导系数和压缩系数。由于石墨烯气凝胶小而曲折的孔结构，气凝胶通常需要很高的压力梯度才能实现质量传输，而3D打印可以实现气凝胶孔结构的智能设计，有利于控制它的质量传输和物理属性的优化，比如刚性等。