Hiện Đã Có Thể In 3D Graphene Aerogel – Loại Vật Liệu Nhẹ Hơn Không Khí

Tháng 03/2016, giới công nghệ chứng kiến bước đột phá trong lĩnh vực in 3D: công nghệ in hiện đại đã có thể in được graphene aerogel – loại vật liệu nhẹ nhất thế giới. Điều này hứa hẹn sẽ mở ra một chương mới cho ngành công nghiệp vật liệu.

Được biết, graphene aerogel là loại vật liệu nhẹ nhất thế thế giới với trọng lượng nhẹ hơn gấp 7.5 lần so với không khí. Thậm chí, graphene aerogel nhẹ hơn aerographite tới 12%. Dù nhẹ hơn không khí nhưng graphene aerogel không thể bay là do có nhiều khoảng trống giữa các phân tử của nó, khiến cho không khí len lỏi vào được, giúp cho nó không bay lên. Aerogel là một dạng chất rắn có thể uốn dẻo, dẫn điện, chịu được lực nén và khả năng thấm hút tốt.


Các nhà nghiên cứu đến từ Đại Học State University of New York ở Buffalo và Đại Học Kansas State University đã sử dụng công nghệ in 3D để in vật liệu aerogel lần đầu tiên. Toàn bộ quá trình đều được điều khiển tự động và đồng đều trên mọi lớp vật liệu.

Giải pháp được áp dụng chính là graphene oxit – một dạng graphene kết hợp cùng phân tử oxy. Nhóm đã tiến hành pha trộn hợp chất này với nước, và đặt trên một bề mặt được làm lạnh ở -13 độ F (tương đương -25 độ C), đóng băng từng lớp graphene riêng biệt và tạo nên cấu trúc graphene 3 chiều.

Nhà nghiên cứu Akshat Rathi thuộc nhóm nghiên cứu cho biết: “Thông thường để in 3D graphene aerogel, vật liệu chính sẽ được trộn với các thành phần khác, chẳng hạn như polymer, để có thể in phun trên máy in. Khi cấu trúc đã được định hình, polymer sẽ được tách riêng ra khỏi vật liệu chính sau một quá trình hóa học khác. Tuy nhiên, với trường hợp của aerogel, cách làm này có thể phá hủy cấu trúc tinh thể của aerogel”.

Akshat Rathi cho biết thêm, sau khi quá trình tạo cấu trúc 3D hoàn tất, nhóm sẽ tiến hành tách bỏ các khối băng vây xung quanh, dùng nitơ lỏng để đông khô nước và tách ra khỏi bề mặt vật thể mà không gây ảnh hưởng tới cấu trúc.

Lớp vật liệu aerogel với cấu trúc 3D sẽ tiếp tục được tác dụng với nhiệt nhằm tách nguyên tử oxy. Kết quả thu được sẽ là graphene aerogel. Nhóm khẳng định: “Chất rắn thu được sẽ có mật độ thay đổi khác nhau từ 0.5 kg/m3 đến 10kg/m3. Graphene aerogel nhẹ nhất từng được sản xuất thành công có trọng lượng khoảng 0.16 kg/m3”.

Hiện nhóm nghiên cứu đang lên kế hoạch tìm hiểu cách thức sản xuất các dạng aerogel khác, chẳng hạn như silica aerogel sử dụng trên cùng một máy in. Trong nhiều nghiên cứu và thử nghiệm, silica aerogel là dạng hình thù phổ biến nhất được sử dụng để nghiên cứu aerogel. Nhưng nó thật sự không dễ dàng sản xuất.

Thực tế, bản thân aerogel là một lớp nguyên tử carbon tinh khiết, dày và có dạng hai chiều. Chúng xếp lại với nhau thành một mạng tổ ong hình lục giác. Để sản xuất graphene aerogel, các nhà nghiên cứu sẽ phải đóng băng lớp graphene và xếp chúng thành một cấu trúc 3 chiều.

ScienceAlert nhận định, việc sử dụng công nghệ in 3D để chế tạo thành công graphene aerogel cho thấy những nỗ lực đáng ghi nhận của các nhà nghiên cứu. Vì cấu trúc phân tử của graphene aerogel vốn được nhận định rất khó để có thể in 3D. Với tiến bộ mới nhất trong kỹ thuật sản xuất vật liệu, thế giới hứa hẹn sẽ sớm được chứng kiện sự xuất hiện của những sản phẩm siêu nhẹ nhưng đa năng trong mọi lĩnh vực.