近日消息，3D打印的石墨烯氣凝膠材料被吉尼斯世界紀錄公司宣布為“世界上密度最小的的材料”。該材料密度只有0.5毫克每立方厘米，各項性能非常優(yōu)秀，可廣泛應(yīng)用于柔性驅(qū)動器、柔性機器人、傳感器、可變形電極材料、藥物傳輸和投放、超輕隔熱保溫及防護材料等。
氣凝膠是一種用途廣泛的物質(zhì)，是世界上密度最小的固體，密度僅為3千克每立方米。這種海綿狀的物體也是絕佳的熱與光學絕緣體，據(jù)了解，近年來利用3D打印機就可以制造出這種凝膠。在各種氣凝膠中，石墨烯氣凝膠是關(guān)注度最高的一種，因為它可以應(yīng)用在電子部件的電池和觸媒中。
3D打印石墨烯氣凝膠的正方形樣品非常輕便，可以掛在麥芒上而不會彎曲。該材料 被吉尼斯世界紀錄公司宣布為世界上最輕的3D打印材料。
近日消息，3D打印的石墨烯氣凝膠材料被吉尼斯世界紀錄公司宣布為世界上最輕的3D打印材料。該材料密度是如此之小，可以安全放在花瓣或棉花上。該材料是由美國堪薩斯州立大學工業(yè)與制造系統(tǒng)工程助理教授林東、布法羅大學工業(yè)與系統(tǒng)工程助理教授Chi Zhou和蘭州大學副教授張強強共同制備的。
石墨烯氣凝膠輕如鴻毛
吉尼斯世界紀錄將石墨烯氣凝膠命名為“密度最小的的3D打印結(jié)構(gòu)材料”。 3D打印石墨烯氣凝膠密度只有0.5毫克每立方厘米。研究人員于2016年2月制備了材料，并得到了吉尼斯世界紀錄的正式認可。他們的成就將在“吉尼斯世界紀錄2018版”中亮相。
“石墨烯是一種革命性的材料，它的氣凝膠形式也同樣重要，”林說。“我們研發(fā)的的3D打印石墨烯氣凝膠各項性能非常優(yōu)秀，可廣泛應(yīng)用于柔性驅(qū)動器、柔性機器人、傳感器、可變形電極材料、藥物傳輸和投放、超輕隔熱保溫及防護材料等。
石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，是一種只有一個原子層厚度的準二維材料。由于其十分良好的強度、柔韌、導電、導熱、光學特性，在物理學、材料學、電子信息、計算機、航空航天等領(lǐng)域都得到了長足的發(fā)展。
3D打印石墨烯的工藝同樣具有開創(chuàng)性
堪薩斯州立大學工業(yè)與制造系統(tǒng)工程助理教授林東持有三維印刷石墨烯氣凝膠樣品，吉尼斯世界紀錄公司將其稱為“密度最小的3D打印材料”。
制備工藝過程
該項研究的3D打印石墨烯氣凝膠材料具有開創(chuàng)性，而且制備工藝同樣具有開創(chuàng)性。研究人員使用兩個噴嘴的改進型噴墨打印機，他們在冷藏柜中將3D石墨烯氧化物和水混合物的液滴印刷在零下20攝氏度的冷板上。這種方法創(chuàng)造出石墨烯和冷凍水的3D冰結(jié)構(gòu)，這有助于石墨烯保持其形狀。當打印完成時，研究人員將3-D材料放在冷凍干燥器中，通過提供高真空和低溫環(huán)境來除去冰，剩下的就是是三維石墨烯氣凝膠材料，可以在室溫下保持其形狀。使用這種方式制作出來的3D打印石墨烯氣凝膠密度在0.5-10毫克每立方厘米，具有相當高的電導系數(shù)和壓縮系數(shù)。
這種全新方式的關(guān)鍵就在于凍結(jié)鑄造法與3D打印的結(jié)合，打印過程中的溫度為-25°C，在這么低的溫度下，每一層沉積物會快速凍結(jié)，研發(fā)團隊便可建造一個氧化石墨烯冰制支撐結(jié)構(gòu)（冰制制成結(jié)構(gòu)是由另外一臺裝入水的打印機打印出來的），然后每一層新的沉積層都會融化掉下面冰凍的頂部，這就使得石墨烯可以在再次冰凍之前自由結(jié)合。這種刺激氫鍵形成的步驟大大提高了3D打印的結(jié)構(gòu)完整性。
石墨烯氣凝膠的應(yīng)用
石墨烯三維結(jié)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)也讓他們在水處理，催化劑，隔熱，微控驅(qū)動，電學器件，傳感等各個方向存在潛在應(yīng)用。但真正接近工業(yè)級的幾乎沒有，最大的原因還是太貴。
1. 水處理
石墨烯氣凝膠有很好的親油性，而且由于其超彈性和多孔性，可用于海洋費油處理等。超低的密度賦予了它單克吸附油品高達幾百克的優(yōu)異性能，而且后續(xù)無論是通過擠壓或者燃燒除去油品，整個氣凝膠結(jié)構(gòu)保持完好使其能夠可持續(xù)使用。圖片源于（JMCA, 2014,2,2934-2941）
2. 催化劑載體
上海交大的馮新亮教授通過在氣凝膠中負載上四氧化三鐵納米粒子，最后發(fā)現(xiàn)負載上四氧化三鐵納米粒子的氣凝膠的催化劑性能優(yōu)于單純的四氧化三鐵納米粒子，這其實是可以預(yù)見的（JACS, 2012, 134: 9082-9085）。因為氣凝膠材料的多孔性（>99%）和大比較面積，當催化劑顆粒均勻負載在氣凝膠上時，實際參與反應(yīng)的催化劑與反應(yīng)物的接觸面積是大于單純的納米顆粒的。氣凝膠的作用相當于納米顆粒從堆疊的變?yōu)榉稚⒌摹Ｒ簿褪钦f氣凝膠可以很好的作為催化劑的一種載體或者說是固定劑。
3. 傳感器
長春應(yīng)用化學所陳衛(wèi)研究員提出了基于石墨烯氣凝膠載體的SnO2顆粒用于空氣中NO2氣體監(jiān)測的應(yīng)用（Analytical Chemistry,2015, 87,1638-1645）。原理如下：SnO2（半導體）在還原性氣體氛圍下導電性增加，在氧化性氣體氛圍下導電性減弱，但目前SnO2的一些缺點限制了其應(yīng)用，例如室溫下導電性差，基于SnO2的氣體傳感器工作溫度高（H2：170-200℃，CO: 200℃），合成過程中SnO2容易團聚導致性能降低等。而利用石墨烯氣凝膠作為載體，然后負載上SnO2顆粒后幾乎完美地解決了這些問題，首先導電性得到很大提高，其次阻止了其團聚，連工作溫度都下降到了50℃，使得在常溫下應(yīng)用成為可能。這其中也是利用了石墨烯氣凝膠具有較好的導電性。
