扫描电子显微镜照片（左）和透射电子显微镜照片（右图）3-D印刷石墨烯泡沫。图（右）是用于确认材料是石墨烯的选定区域折射图案。图片来源：李轶伦/莱斯大学

莱斯大学和中国天津大学的纳米技术人员使用三维激光打印来制造厘米尺寸级别原子薄的石墨烯。

该研究可以生产大量工业用的石墨烯，并在美国化学学会期刊ACS Nano的新研究中在线描述。

莱斯化学家詹姆斯•罗伯特（James Tour）是本文的共同作者，他说：“这项研究是首例，我们已经展示了如何制造非石墨烯原料的3-D石墨烯泡沫，该方法适用于另一种石墨烯泡沫形式，这种石墨烯泡沫由被放大到具有孔隙尺寸控制的添加剂制造、应用。”

石墨烯是十年来研究最多的纳米材料之一，是一种二维的纯碳薄片，具有超强度和导电性。科学家们希望在纳米电子学、飞机除冰器、电池以及骨植入物中使用石墨烯。但是大多数工业应用需要大量的三维形式的石墨烯，因此科学家们一直在努力寻找简单的方法来生产大量的3-D石墨烯。

例如，Tour实验室的研究人员开始在2016年后期开始使用激光、糖粉和镍制造3-D石墨烯泡沫。今年早期，他们表明，他们可以采用碳纳米管增强泡沫，从而生产出一种被称为“钢筋石墨烯 ”的石墨烯材料，既可以保持其形状，同时也足以支持自身的重量3000倍。 但制作钢筋石墨烯并不容易。 它需要一个预制的3-D模具，1000摄氏度的化学气相沉积（CVD）工艺和近3个小时的加热和冷却。

在最新研究中，Tour实验室的团队以及赖斯的朱璐和天津的Naiqin Zhao的实验室都采用了普通的3-D打印技术来制作石墨烯泡沫的指尖块。 该过程在室温下进行，不需要模具，原料为糖粉和镍粉。

联合主管作者Junwei Sha是Tour实验室的前访问学者，现在是天津大学的研究生，他说：“这种简单有效的方法不需要冷压模具和高温CVD处理。我们还应该能够使用这种方法来生产特定类型的石墨烯泡沫，如3-D印刷钢筋石墨烯，以及通过改变前体粉末的氮和硫掺杂的石墨烯泡沫。”

三维激光打印机的工作方式与一般基于挤出的3-D打印机不同，它们通过将二维图案中的熔化塑料挤压穿过针来产生物体。在3-D激光烧结中，激光照射到平坦的粉末床上。无论激光如何接触粉末，它会将粉末熔化或烧结成固体形式。激光器会被扫描，或者逐行移动，按线条来创造一个更大的物体的二维平面。然后将一层新的粉末放置在该层的顶部，并重复该过程以从连续的二维层建立三维物体。

新的Rice工艺使用市售的二氧化碳激光器。当将该激光照射到糖和镍粉末上时，糖被熔化，镍作为催化剂。随着混合物冷却后，石墨烯也被冷却，激光已经转移到下一点去融化糖，而Sha和他的同事进行了详尽的研究，以找到最佳的时间和激光功率来最大化石墨烯生产。

该方法产生的泡沫是低密度、3-D形式的石墨烯，且具有大孔，占其体积的99％以上。

“我们的方法制备的3-D石墨烯泡沫显示了对需要快速成型和制造三维碳材料应用的展望，包括能量储存、阻尼和吸音。”联合主编作者Yilun Li，研究生Rice如是说。

Tour是T.T.和W.F. 化学教授，赖斯教授，计算机科学与材料科学与纳米工程教授。

另外的合著者还包括Rodrigo Villegas Salvatierra、Tuo Wang、Pei Dong、Yongsung Ji、Seoung-Ki Lee、Chenhao Zhang、Jibo Zhang和Pulickel Ajayan，以及位于犹他州西约旦的合格快速产品领域的Rice和Robert Smith。

此项研究得到了空军科学研究科及其多学科大学研究计划、中国奖学金委员会、国家国家自然科学重大计划项目、国家自然科学基金、中国科学技术特别基金、天津和通用激光系统重大项目的支持。

资料来源：莱斯大学。

原文来自：sciencedaily，由材料科技在线团队翻译整理。