تماشا کنید: چاپ سه بعدی گرافین هواژل، سبک‌ترین ماده دنیا
موبنا- گرافین هواژل، سبک‌ترین ماده‌ی دنیا، ۷.۵ برابر سبک‌تر از هوا بوده و چگالی آن حدودا ۱۰۰۰ برابر کمتر از آب است. جرم یک متر مکعب از گرافین هواژل تنها ۱۶۰ گرم است. این ماده حدودا ۱۲ درصد نیز از ایروگرافیت، دومین ماده‌ی سبک دنیا، سبک‌تر است. در حقیقت چگالی گرافین هواژل به قدری پایین است که می‌توان چند سانتی‌متر مکعب از آن را بر روی یک قاصدک قرار داد.
اگرچه از سال ۲۰۱۳ تا کنون سیلیکا هواژل بیش‌ترین کاربرد را در صنایع و پژوهش‌های مختلف را دارد، اما با این حال عنوان سبک‌ترین ماده‌ی دنیا به گرافین هواژل تعلق دارد و بنظر می‌رسد که تولید آن نیز به لطف دستاورد اخیر دانشمندان در پرینت سه بعدی این ماده، بسیار ساده‌تر شده است.
اگرچه خواص فیزیکی هواژل یا “دود یخ زده” مشابه یک گاز است، اما این ماده در حقیقت به حالت جامد است. از ویژگی‌های این ماده می‌توان به انعطاف‌پذیری بسیار بالا، رسانایی، تراکم‌پذیری و خاصیت جذب اشاره کرد.
پژوهشگران به لطف خواص بسیار منحصربفرد هواژل، قادر به استفاده از آن در کاربردهای متنوعی مانند پوشش‌های نامرئی و پاکسازی محیط زیست، شده‌اند؛ تنها یک گرم از هواژل قادر به جذب موادی مانند نفت به میزان ۹۰۰ برابر جرم خود است. بنابراین یافتن راهکاری برای ساده‌سازی پروسه‌ی تولید آن، بسیار حائز اهمیت است.
اما اکنون گروهی از محققین دانشگاه‌های ایالتی نیویورک و کانزاس، به راهکاری جهت چاپ سه بعدی با کیفیت بالا و یکنواخت گرافین هواژل و به صورت خودکار دست یافته‌اند.
گرافین به خودی خود، لایه‌ای دو بعدی و با ضخامتی معادل ابعاد یک اتم از اتم‌های خالص کربن است که به صورت فشرده در کنار یکدیگر قرار گرفته و تشکیل یک شبکه‌ی هگزاگونال را داده‌اند. برای تولید گرافین هواژل باید پس از خشک کردن انجمادی لایه‌های گرافین، آن‌ها را بر روی هم انباشته کرده و تشکیل یک ساختار سه بعدی را داد.
سازگار کردن گرافین هواژل با فناوری چاپ سه بعدی به هیچ وجه دستاورد کوچکی محسوب نمی‌شود؛ چرا که ساختار مولکولی این ماده‌ی شگفت‌انگیز به گونه‌ای است که چاپ آن را بسیار دشوار می‌کند.
آکشات راتهی در وب‌سایت Quartz می‌گوید:
برای آنکه چاپ سه بعدی هواژل امکان‌پذیر باشد، ماده‌ی اصلی تشکیل‌دهنده‌ی آن با مواد دیگری مانند یک پلیمر، مخلوط می‌شود تا بدین ترتیب امکان خارج شدن آن از داخل چاپگرهای جوهرافشان فراهم شود. پس از تشکیل ساختار سه بعدی، پلیمر یاد شده توسط یک فرایند شیمیایی از آن جدا می‌شود. اما در خصوص گرافین هواژل، انجام این کار باعث از بین رفتن ساختار ظریف آن می‌شود.
اما راهکار چیست؟ گرافین اکسید، شکلی از گرافین به همراه مولکول‌های اکسیژن است. پژوهشگران با مخلوط کردن این ترکیب با آب و اضافه کردن آن بر روی سطحی که دمای آن تا ۲۵- درجه‌ی سلسیوس پایین آورده شده، قادر به منجمد کردن سریع تک تک لایه‌های گرافین و تشکیل دادن ساختار سه بعدی هواژل احاطه شده توسط یخ، شده‌اند.
طبق گفته‌های راتهی، پس از اتمام فرایند تشکیل ساختار سه بعدی، یخ‌های موجود در مجاور این ساختار به موجب فرایند خشک کردن انجمادی به کمک نیتروژن مایع، بدون آنکه صدمه‌ای به ساختار یاد شده وارد کند، از اطراف آن زدوده می‌شوند.
راتهی می‌گوید:
در مرحله‌ی بعد برای حذف اتم‌های اکسیژن، به ماده حرارت داده می‌شود؛ بنابراین در نهایت تنها گرافین در داخل هواژل باقی می‌ماند. چگالی جسم حاصل از این فرآیند در بازه‌ی بین ۰.۵ تا ۱۰ کیلوگرم بر متر مکعب قرار می‌گیرد. چگالی سبک‌ترین ساختار هواژلی که تا کنون ساخته شده است، برابر با ۰.۱۶ کیلوگرم بر متر مکعب است.
گفتنی است اعضای تیم قصد دارند تا از راهکار ابداعی خود برای تولید سایر انواع هواژل نظیر سیلیکا هواژل نیز استفاده کنند.
در ادامه می‌توانید ویدئویی از فرایند ساخت گرافین هواژل را تماشا کنید:
منبع:زومیت|نویسنده:مهرداد عیسی لو
