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制造石墨烯三维物体的新方法:将为柔性电子器件带来新可能!


作者:黑色技术畅想 来源:百家号 2018-06-19 14:36:39 填写您的邮件地址,订阅我们的精彩内容:

摘要:如果说有一种新材料极有可能掀起一场席卷全球的新技术新产业革命,那么许多人都会想到石墨烯。这种由单层碳原子组成的蜂窝状结构,具有许多优异的特性,例如轻薄、柔韧性好、轻度高、导电导热性极佳等等。

关键词:石墨烯[39篇]  柔性电子[8篇]  能量存储[0篇]  

  导读

  近日,美国莱斯大学的科学家们开发出一种由石墨烯泡沫制造三维导电物体的简单方法,为能量存储和柔性电子传感器等应用带来了新的可能性。

  背景

  如果说有一种新材料极有可能掀起一场席卷全球的新技术新产业革命,那么许多人都会想到石墨烯。这种由单层碳原子组成的蜂窝状结构,具有许多优异的特性,例如轻薄、柔韧性好、轻度高、导电导热性极佳等等。

制造石墨烯三维物体的新方法:将为柔性电子器件带来新可能!

  作为时下非常热门的新材料与新技术,笔者之前介绍过许多有关石墨烯的创新研究成果,涉及石墨烯的特性研究、制备方法、实际应用等。

  从实际应用的角度来说,石墨烯在柔性电子、高效晶体管、新型传感器、新材料、电池、超级电容、半导体制造、新能源、通信、太赫兹技术、医疗、航天能源技术、分子电子等诸多领域都有着重要的价值,因此极具商业前景,也是全球各国都在着力研究的战略性材料。

  然而,通过低成本、易操作、高效率的制备方法制备出高质量的石墨烯,对于石墨烯大规模生产和商业应用来说非常关键。例如,笔者曾经介绍过“微流化法”、“爆炸法”、“激光诱导法”等制备方法。

  今年2月份,笔者曾介绍过美国莱斯大学化学家 JamesTour的实验室将激光诱导制备的石墨烯(LIG)“烧入”纸张、衣服、 煤炭和特定食物,甚至是吐司面包中。

制造石墨烯三维物体的新方法:将为柔性电子器件带来新可能!

  (图片来源: 莱斯大学 / Jeff Fitlow)

  将LIG图案写入目标材料中,可作为超级电容、的电催化剂、天线、等使用。举例来说,LIG图案可作为食品上的RFID标签,记录食品生产地址、生产日期等信息;也可以作为传感器,检测食品中的大肠杆菌和其他微生物。此外,Tour 表示,柔性可穿戴电子器件将成为这项技术的早期市场应用,例如将导电线放置到衣服中,可用于加热衣服或者添加传感器或导电图案。

制造石墨烯三维物体的新方法:将为柔性电子器件带来新可能!

  (图片来源: 莱斯大学 / Jeff Fitlow)

  创新

  今天,让我们继续关注莱斯大学 James Tour 实验室在激光诱导石墨烯方面取得的新进展。

  近日,Tour 实验室开发出一种通过石墨烯泡沫制造三维导电物体的简便方法。Tour 称,石墨烯泡沫是一种湿软的物体,看上去和摸上去都像小孩子玩的泥巴,可是它却为能量存储和柔性电子传感器等应用开辟了新的可能性。

  让我们先来看一幅图:论文的共同领导作者、莱斯大学的研究生Duy Xuan Luong 将三维的激光诱导石墨烯放置在两条柳树枝上。该实验室采用工业激光将便宜的聚酰亚胺塑料在室温下转化为石墨烯泡沫,然后将薄片绑定到一起制造出轻量导电的三维石墨烯。

制造石墨烯三维物体的新方法:将为柔性电子器件带来新可能!

  (图片来源: 莱斯大学)

  关于这项技术细节的论文发表在《先进材料(Advanced Materials)》杂志。

  技术

  2014年,该实验室就曾通过激光加热廉价的聚酰亚胺塑料板,首次制造出激光诱导石墨烯。激光燃烧掉大约一半的塑料,将其顶部转化为互相连接的二维碳薄片,这种二维碳薄片仍然与底部的一半保持连接。LIG会在室温下以宏观图案的形式制造出来。Tour 表示,该实验室已经将他们技术的拓展用于在木头甚至食物上制造LIG,但是迄今为止还无法制造出纯石墨烯制成的三维物体。

  Tour 表示:“现在,我们已经构造出一个原型机器,通过自动的连续分层和激光照射,将石墨烯泡沫制造成三维物体。这样无需熔炉或者金属晶体,真正地将石墨烯带到了三维,而且我们的工艺很容易扩展。”

制造石墨烯三维物体的新方法:将为柔性电子器件带来新可能!

  (图片来源: 莱斯大学)

  新方法基于分层实体制造技术。在这种技术中,材料的各层被集成到一起,但然后切成相应的形状。在这个案例中,顶部的LIG层保持与底部的聚酰亚胺塑之间的连接。第二层涂有乙二醇,面朝下放置在第一层上面,就像果酱三明治一般。然后,其顶部的聚酰亚胺被烧成石墨烯。这项工艺可以按照需要重复进行,直到整块完成。如下图所示:

制造石墨烯三维物体的新方法:将为柔性电子器件带来新可能!

  (图片来源: 莱斯大学 / Tour Group)

  Duy Xuan Luong 表示,乙二醇粘合剂会在一个热的盘子上被蒸发掉,任何剩余的聚酰亚胺都会在熔炉中被去除掉。这样就剩下了原始状态的海绵状的碳块。莱斯实验室堆叠了多达5层的泡沫,然后采用在一个改良的三维打印机上的光纤激光系统,将碳块磨成复杂的形状。

 

  价值

  实验室制作了概念验证阶段的锂离子电容器,它采用三维LIG作为阳极和阴极。阳极的质量比容量是354毫安时每克,接近石墨的理论极限,而阴极的容量超越其他碳材料的平均容量。970次充放电循环之后,经过完整测试,电池可以保持70%的容量。

  Tour 表示:“在这些新一代的锂离子电容器中,它代表了非常卓越的性能,获得了锂离子电池和电容混合物的最佳特性。”

  然后,研究人员通过20纳米到30纳米的孔洞,为一块三维LIG灌入了聚二甲基硅氧烷液体。这样可以制造出更强大导电材料,并保持柔韧性,还不会改变泡沫的初始形状。他们通过这种材料制造出一种柔性传感器,可以精准地记录来自志愿者手腕的脉冲。他们表示,通过对于设备进一步的校准,将使得他们可以从脉冲波形中提取血压信息。

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