一种生产喷笔的新方法。免费技术图书馆新闻

一种喷枪的新方法

03.05.2015

当我们谈论轻而无重的东西时，我们经常使用形容词“空气”。然而，空气仍然有质量，尽管很小——一立方米的空气重量略高于一公斤。是否有可能创造出一种固体材料，例如，它占据一立方米，但同时重量不到一公斤？这个问题在上世纪初由被称为气凝胶发明者的美国化学家、工程师斯蒂芬·基斯特勒解决。

喷枪的 3D 打印宏观结构赋予其独特的机械性能，同时又不失其“石墨烯”性质。图片来源：Ryan Chen/LLNL 喷枪喷枪的 3D 打印宏观结构赋予其独特的机械性能，同时又不失其“石墨烯”性质。

对于许多人来说，与“凝胶”一词的第一个联系可能与某种化妆品或家用化学品有关。虽然实际上，凝胶是一个完全化学的术语，指的是由大分子的三维网络组成的系统，一种框架，其中的空隙中有液体。由于这种分子框架，相同的沐浴露不会散布在您的手掌上，而是呈现出有形的形式。但不可能将这种普通的凝胶称为空气——构成其中大部分的液体几乎比空气重一千倍。这就是实验者提出如何制造超轻材料的想法的地方。

如果您使用液体凝胶，并以某种方式从其中除去水分，并用空气代替它，那么结果，凝胶将只剩下一个骨架，这将提供硬度，但同时几乎没有重量。这种材料称为气凝胶。自 1930 年发明以来，化学家之间开始了一场创造最轻气凝胶的竞争。长期以来，主要使用以二氧化硅为基础的材料来获得它。这种硅气凝胶的密度从十分之一到百分之一克每立方厘米不等。当碳纳米管开始用作材料时，气凝胶的密度几乎降低了两个数量级。例如，airgraphite 的密度为 0,18 mg/cm3。迄今为止，手掌中最轻的固体材料属于喷枪，其密度仅为0,16毫克/立方厘米。为清楚起见，一米立方体由喷枪纸制成，重 3 克，比空气轻八倍。

然而，化学家们的驱动力不仅限于体育兴趣，而且石墨烯作为气凝胶材料开始被使用并非偶然。石墨烯本身有很多独特的特性，这很大程度上归功于它的扁平结构。另一方面，气凝胶也有特殊的特性，其中之一就是巨大的比表面积，每克物质达几十万平方米。如此巨大的面积是由于材料的高孔隙率而产生的。化学家已经成功地将石墨烯的特定特性与气凝胶的独特结构相结合，但由于某种原因，利弗莫尔国家实验室的研究人员还需要一台 3D 打印机来制造喷枪。

为了打印气凝胶，首先需要制造一种基于氧化石墨烯的特殊墨水。除了应该喷枪之外，这种墨水还必须适合 3D 打印。解决了这个问题后，化学家们找到了一种可以生产具有所需微架构的喷枪的方法。这非常重要，因为除了石墨烯固有的特性外，这种材料还将具有有趣的物理特性。例如，该研究的作者收到的样品被证明具有惊人的弹性——一个喷枪的立方体可以被压缩十次而不会损坏材料，而在反复压缩拉伸过程中它不会失去其特性。

反复压缩的能力将打印的喷枪与通过“通常”方式获得的喷枪区分开来。新型喷枪的实际应用之一可能是柔性电池，其中材料的大内表面将用作电极，而印刷结构将赋予其所需的灵活性。

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