Materialforschung: Forscher 3D-drucken Graphen-Aerogel

Graphen-Aerogel: kann 90 Prozent gestaucht werden (Bild: Ryan Chen/LLNL)

Mit einem 3D-Druckverfahren verarbeiten US-Forscher Graphen. Damit können sie ein ultraleichtes Aerogel herstellen, das interessante mechanische und elektrische Eigenschaften aufweist.

Der Würfel wiegt fast nichts und kann extrem zusammengedrückt werden. Kein Wunder: Er besteht weitgehend aus Luft. Das wenige Material verleiht ihm dennoch eine hohe Steifigkeit und eine gute elektrische Leitfähigkeit. Der Würfel besteht aus einem Graphen-Aerogel.

Forscher vom Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben ein Verfahren entwickelt, um mit einem 3D-Druckverfahren ein Aerogel aus Graphen in eine bestimmte Form zu bringen. Ein Aerogel ist ein extrem poröser Festkörper. Der Begriff ist etwas irreführend, da er auf eine Flüssigkeit hinweist. Die wurde in dem Aerogel durch ein Gas ersetzt.

3D-Drucken mit Gel

Direct Ink Writing (DIW) oder Robocasting heißt das Verfahren. Es ähnelt der Schmelzschichtung oder Fused Deposition Modeling (FDM). Nur wird beim DIW kein geschmolzener Kunststoffdraht verarbeitet, sondern eine Tinte. Die ist allerdings nicht flüssig, sondern hat eher eine gelartige Konsistenz.

Die Tinte besteht aus einer wässrigen Graphenoxid-Suspension, die Siliziumdioxid als Füllmaterial enthält. Sie ist hochviskos, so dass sie durch eine Düse gedrückt werden kann, um ein Objekt, etwa einen Würfel, aufzubauen. Zum Schluss wird das Siliziumdioxid noch mit Flusssäure weggeätzt.

Leicht, stabil, komprimierbar

Das 3D-gedruckte Graphen-Aerogel habe eine große Oberfläche und eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit. Es sei sehr leicht, stabil und könne um 90 Prozent seines Volumens gestaucht werden, schreiben die Forscher um Marcus Worsley und Cheng Zhu in der Fachzeitschrift Nature Communications.

Bei früheren Versuchen sei die Porenstruktur zufällig gewesen. Erst das DIW-Verfahren ermögliche es, eine Porenstruktur für das Aerogel zu entwerfen und herzustellen, sagt Worsley. Auf diese Weise ließen sich physikalische Eigenschaften wie Steifigkeit steuern. Das Verfahren werde es ermöglichen, Aerogele für neuartige und kreative Anwendungen zu schaffen.

Stabiler Mikro-Eiffelturm

Das LLNL-Team um Christopher Spadaccini ist auf Leichtbau spezialisiert: Im vergangenen Jahr stellte es eine Eiffelturm-artige Gitterstruktur im Mikrobereich her. Das Gitter hatte Merkmale im Nanobereich, die ihm bei einem geringen Gewicht eine hohe Steifigkeit und Festigkeit verleihen. Eine solche Struktur kann nach Angaben der Wissenschaftler mehr als das 160.000fache ihres Eigengewichts tragen.

Aerogels per 3D-Druck zu verarbeiten, ermögliche es, komplexe Aergeol-Architekturen herzustellen, sagt LLNL-Forscher Zhu. Die könnten mechanische Eigenschaften und eine Komprimierbarkeit aufweisen, die bisher nicht erreichbar seien. Anwendungen für das Aerogel aus Graphen gebe es viele, sagen die Forscher: Damit ließen sich bessere Akkus bauen, es könne in Sensoren und in elektronische Bauteile im Nanobereich integriert, als Trennung oder für die Katalyse eingesetzt werden.