滑鐵盧研究人員開發(fā)出全3D打印石墨烯墨水，可用于醫(yī)療、工業(yè)和環(huán)境修復

2025年2月14日，南極熊獲悉，滑鐵盧大學的研究人員開發(fā)出了一種全石墨烯、無添加劑的環(huán)保型水基墨水，可用于直接墨水書寫 (DIW) 到 3D 打印功能氣凝膠，可用于電子和電磁干擾 (EMI) 屏蔽應用。這一發(fā)現(xiàn)釋放了石墨烯在汽車、消費電子產品和環(huán)境清潔等不同領域的應用潛力。

相關研究以題為“Additive-free graphene-based inksfor 3D printing functional conductive aerogels/用于3D打印功能導電氣凝膠的無添加劑石墨烯基墨水”的論文發(fā)表在《材料化學A》雜志上。

論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ta/d4ta03082f

石墨烯以其強度、導電性和熱性能而聞名。然而，它通常以粉末形式生產，難以加工，因此限制了它的用途。研究人員通過設計石墨烯納米片，創(chuàng)造了世界上第一種全石墨烯墨水，這種納米片可以在水中分散，同時仍保持導電性。除了極其多功能外，這種新墨水不含添加劑，與其他替代品不同，打印時不需要任何化學溶劑。

為了設計出這些墨水，研究團隊（包括卡爾加里大學、不列顛哥倫比亞大學和芬蘭阿爾托大學的成員）開發(fā)了一種非常適合大規(guī)模生產的兩步電化學工藝。一種稱為插層的專門設計的步驟，涉及將分子插入層狀石墨，允許在水中連續(xù)生產石墨烯納米片。研究全面的表征揭示了石墨烯納米片的物理化學性質對均勻性、流變性、電導率和 EMI 屏蔽效能 (SE) 的重大影響。

△3D 打印機利用石墨烯墨水制作 UW 徽標（滑鐵盧大學）

滑鐵盧大學化學工程系教授米拉德·卡姆卡博士表示：“將石墨材料塑造成復雜的幾何形狀以用于高級應用一直是一項關鍵挑戰(zhàn)，限制了其廣泛應用。利用我們提出的方法，我們可以將石墨烯 3D 打印成任何形狀�！�

△化學工程博士生 Shakiba Samsami 將石墨烯墨水裝入 3D 打印機。（滑鐵盧大學）

作為一種水性功能性墨水，石墨烯可以通過 3D 打印制成智能手表和健身手環(huán)的傳感器，或糖尿病患者的血糖監(jiān)測儀。其他潛在應用包括 3D 打印部件以減輕車輛重量，以及過濾器以凈化甚至淡化水。

石墨烯墨水還可以用于電池、印刷電子產品和環(huán)境修復領域，例如利用多孔、超吸收結構清理海洋中的漏油，以及捕獲大氣中的二氧化碳以幫助最大限度地減少氣候變化。

為了設計這些墨水，研究團隊（成員來自卡爾加里大學、不列顛哥倫比亞大學和芬蘭阿爾托大學）開發(fā)了一種兩步電化學工藝，非常適合大規(guī)模生產。一個專門設計的步驟稱為插層，涉及將分子插入層狀石墨，允許在水中連續(xù)生產石墨烯納米片。

滑鐵盧大學多尺度材料設計實驗室主任卡姆卡爾說：“我們現(xiàn)代技術的進步是以新的環(huán)境挑戰(zhàn)為代價的。為了生存和應對這些挑戰(zhàn)，我們必須開發(fā)比現(xiàn)有材料更有效的新材料。這只能通過控制和微調多個尺度（從分子和納米級到宏觀尺度）的材料特性來實現(xiàn)�！�

這種創(chuàng)新的石墨烯墨水生產方法可以快速、連續(xù)、大規(guī)模地制造輕質多孔材料，避免使用對環(huán)境有害的還原劑或高溫處理。此外，消除制造過程中的還原步驟符合工業(yè)對節(jié)能生產工藝和高產出率的需求，標志著材料科學領域的重大進步，并為石墨烯基墨水在先進制造技術中的應用提供了光明的前景。研究人員的下一步將涉及探索環(huán)境修復和二氧化碳捕獲技術的先進應用。