Forscher stellen Objekte aus Graphen-Schaum mittels 3D-Laser-Druck her

Wissenschaftler der Rice University in den USA und der Tianjin University in China ist es mit Hilfe von laserbasiertem 3D-Druck gelungen zentimetergroße Objekte aus anatomisch dünnen Graphen-Schichten herzustellen. Mit dem Verfahren könnten zukünftig industrielle Mengen des Materials produziert werden.

Graphen zählt in den letzten Jahren zu einem der meist erforschten Nanomaterialien und wird aufgrund seiner Zugfestigkeit und elektrischer Leitfähigkeit bei einer Dicke von nur einer Atomschicht Kohlenstoff auch als Wundermaterial bezeichnet. Die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig – von Superkondensatoren bis hin zu Nanoelektronik oder Knochenimplantaten. Die Herstellung von großen Mengen Graphen in 3-dimensionaler Form ist bislang jedoch sehr aufwendig.

“Diese Studie ist die erste ihrer Art,” erklärt James Tour, Chemiker an der Rice Universität und Co-Author der Publikation. “Wir haben demonstriert wie man 3D-Graphen-Schaum aus Ausgangsmaterien die nicht Graphen sind herstellt. Die Methode eignet sich für Anwendungen in der Additiven Fertigung zur Herstellung von Graphen-Schaum mit kontrollierbarer Porengröße.”

Das Team aus James Tours Labor experimentiert bereits seit 2016 mit Graphen-Schaum. Dieser Schaum (3D rebar graphene) konnte auch mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen verstärkt werden und seine Form bei einer 3.000-fachen Belastung seines Eigengewichts halten. Jedoch war die Herstellung ein äußert aufwendiger Prozess, der die Feritgung von Formen sowie das Hochtemperatur-Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung involvierte. Für die aktuelle Studie haben die Forscher auf Selektives Lasersintern (SLS) zurückgegriffen um fingerspitzengroße Blöcke aus Graphen-Schaum herzustellen. Die Ausgangsmaterialien dabei sind Puderzucker und Nickelpulver.

Laut Co-Author Junwei Sha von der Tianjin Universität könnten mit dem neuen Verfahren spezifische Arten von Graphen-Schaum hergestellt werden. Bei dem SLS Prozess wurde ein kommerziell erhältlicher CO2-Laser mit dem Zucker-Nickel-Pulvergemisch eingesetzt. Dabei wird der Zucker zu Kohlenstoff zersetzt und Nickel fungierte als Katalysator. Das Graphen bildet sich sobald die Mischung abkühlt, nachdem der Laser zum nächsten Punkt wandert. Um die optimale Zeit und Laserleistung für eine maximale Produktion zu erzielen, wurde eine umfangreiche Studie durchgeführt.

Der mit dem Verfahren hergestellte Schaum weist eine geringe Dichte mit großen Poren auf, die über 99% des Volumen ausmachen. Anwendung könnte das Material für Energiespeicher, Dämpfung und Schallabsorbierung finden, meint Co-Author der Studie Yilun Li.

Die Publikation mit dem Titel “Three-Dimensional Printed Graphene Foams” wurde in ACS Nano veröffentlicht.