滑鐵盧研究人員開發(fā)出全3D打印石墨烯墨水，可用于醫(yī)療、工業(yè)和環(huán)境修復(fù)

2025年2月14日，南極熊獲悉，滑鐵盧大學(xué)的研究人員開發(fā)出了一種全石墨烯、無添加劑的環(huán)保型水基墨水，可用于直接墨水書寫 (DIW) 到 3D 打印功能氣凝膠，可用于電子和電磁干擾 (EMI) 屏蔽應(yīng)用。這一發(fā)現(xiàn)釋放了石墨烯在汽車、消費(fèi)電子產(chǎn)品和環(huán)境清潔等不同領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

相關(guān)研究以題為“Additive-free graphene-based inksfor 3D printing functional conductive aerogels/用于3D打印功能導(dǎo)電氣凝膠的無添加劑石墨烯基墨水”的論文發(fā)表在《材料化學(xué)A》雜志上。

論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ta/d4ta03082f

石墨烯以其強(qiáng)度、導(dǎo)電性和熱性能而聞名。然而，它通常以粉末形式生產(chǎn)，難以加工，因此限制了它的用途。研究人員通過設(shè)計石墨烯納米片，創(chuàng)造了世界上第一種全石墨烯墨水，這種納米片可以在水中分散，同時仍保持導(dǎo)電性。除了極其多功能外，這種新墨水不含添加劑，與其他替代品不同，打印時不需要任何化學(xué)溶劑。

為了設(shè)計出這些墨水，研究團(tuán)隊（包括卡爾加里大學(xué)、不列顛哥倫比亞大學(xué)和芬蘭阿爾托大學(xué)的成員）開發(fā)了一種非常適合大規(guī)模生產(chǎn)的兩步電化學(xué)工藝。一種稱為插層的專門設(shè)計的步驟，涉及將分子插入層狀石墨，允許在水中連續(xù)生產(chǎn)石墨烯納米片。研究全面的表征揭示了石墨烯納米片的物理化學(xué)性質(zhì)對均勻性、流變性、電導(dǎo)率和 EMI 屏蔽效能 (SE) 的重大影響。

△3D 打印機(jī)利用石墨烯墨水制作 UW 徽標(biāo)（滑鐵盧大學(xué)）

滑鐵盧大學(xué)化學(xué)工程系教授米拉德·卡姆卡博士表示：“將石墨材料塑造成復(fù)雜的幾何形狀以用于高級應(yīng)用一直是一項關(guān)鍵挑戰(zhàn)，限制了其廣泛應(yīng)用。利用我們提出的方法，我們可以將石墨烯 3D 打印成任何形狀。”

△化學(xué)工程博士生 Shakiba Samsami 將石墨烯墨水裝入 3D 打印機(jī)。（滑鐵盧大學(xué)）

作為一種水性功能性墨水，石墨烯可以通過 3D 打印制成智能手表和健身手環(huán)的傳感器，或糖尿病患者的血糖監(jiān)測儀。其他潛在應(yīng)用包括 3D 打印部件以減輕車輛重量，以及過濾器以凈化甚至淡化水。

石墨烯墨水還可以用于電池、印刷電子產(chǎn)品和環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域，例如利用多孔、超吸收結(jié)構(gòu)清理海洋中的漏油，以及捕獲大氣中的二氧化碳以幫助最大限度地減少氣候變化。

為了設(shè)計這些墨水，研究團(tuán)隊（成員來自卡爾加里大學(xué)、不列顛哥倫比亞大學(xué)和芬蘭阿爾托大學(xué)）開發(fā)了一種兩步電化學(xué)工藝，非常適合大規(guī)模生產(chǎn)。一個專門設(shè)計的步驟稱為插層，涉及將分子插入層狀石墨，允許在水中連續(xù)生產(chǎn)石墨烯納米片。

滑鐵盧大學(xué)多尺度材料設(shè)計實驗室主任卡姆卡爾說：“我們現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步是以新的環(huán)境挑戰(zhàn)為代價的。為了生存和應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，我們必須開發(fā)比現(xiàn)有材料更有效的新材料。這只能通過控制和微調(diào)多個尺度（從分子和納米級到宏觀尺度）的材料特性來實現(xiàn)。”

這種創(chuàng)新的石墨烯墨水生產(chǎn)方法可以快速、連續(xù)、大規(guī)模地制造輕質(zhì)多孔材料，避免使用對環(huán)境有害的還原劑或高溫處理。此外，消除制造過程中的還原步驟符合工業(yè)對節(jié)能生產(chǎn)工藝和高產(chǎn)出率的需求，標(biāo)志著材料科學(xué)領(lǐng)域的重大進(jìn)步，并為石墨烯基墨水在先進(jìn)制造技術(shù)中的應(yīng)用提供了光明的前景。研究人員的下一步將涉及探索環(huán)境修復(fù)和二氧化碳捕獲技術(shù)的先進(jìn)應(yīng)用。