Idrogel di ossido di grafene con stampa 3D con scrittura diretta di inchiostro per micro super condensatore
Nella recente pubblicazione ” Stampa 3D diretta di un idrogel di ossido di grafene per la fabbricazione di un microsupercacacitor ad alta capacità specifica areale “, i ricercatori considerano la capacità di un idrogel di ossido di grafene (GO) da utilizzare come bioink denominato inchiostro GO.
Man mano che la stampa 3D cresce in popolarità con gli utenti di tutto il mondo, cresce lo sviluppo di elettronica più piccola e piattaforme miniaturizzate. Ciò comprende:
Sistemi microelettromeccanici
Sensori biomedici
Sensori wireless
Azionamenti dell’attuatore
Con l’aumentare della domanda di dispositivi, aumenta anche quella di accumulo di energia come i microsupercapacitor (MSC), piattaforme su scala micro che offrono densità ad alta potenza, lunga durata e altro ancora. In precedenza, i metodi per la creazione di microsupercapacitor hanno prodotto elettrodi con spessore limitato, incapaci di immagazzinare energia sufficiente. Per migliorare la capacità, i materiali attivi devono essere caricati più efficacemente con quantità maggiori per ciascun elettrodo.
La stampa 3D può essere utilizzata qui in quanto ha dimostrato non solo la versatilità in tali applicazioni, ma anche la possibilità di creare elettrodi più spessi semplicemente creando più strati.
“Come un tipo tipico della tecnica di stampa 3D, la scrittura diretta a inchiostro (DIW) è più comunemente utilizzata a causa del suo semplice meccanismo di stampa, processo di fabbricazione a basso budget e ampia adattabilità a diversi tipi di materiali”, affermano i ricercatori. “Per la fabbricazione di MSC tramite DIW, è di fondamentale importanza trovare un materiale adatto con proprietà reologiche ottimizzate da utilizzare come inchiostro”.
Il grafene e i derivati presentano un grande potenziale per gli aerogel 3D grazie a:
Alta superficie
Straordinarie proprietà meccaniche
Conducibilità super elettrica / termica
Quadro a nido d’ape
I nanoschede GO possono presentare idrofilicità nelle regioni ossigenate che presentano difetti:
“Pertanto, i fogli GO ottenuti dall’ossidazione e dall’esfoliazione della grafite possono essere ben dispersi in mezzi acquosi”, hanno affermato i ricercatori. “A seconda di fattori quali il grado di ossidazione dei fogli, la concentrazione, il pH e la concentrazione di sale, le sospensioni GO possono esistere come liquido viscoelastico, solido morbido, cristallo liquido, gel e vetro.”
La scrittura a inchiostro diretto è stata popolare per la fabbricazione di strutture 3D, i ricercatori spiegano che la sospensione GO diluita di solito “fallisce come candidato per DIW a causa del suo comportamento liquido e basso contenuto di solidi”. La maggior parte dei metodi suggerisce di aggiungere polimeri e nanoparticelle inorganiche; tuttavia, sono stati suggeriti anche altri metodi come il freeze-casting. Nella maggior parte dei casi, il problema è ancora una generale mancanza di comprensione delle proprietà reologiche degli inchiostri GO e di come influenzano il processo di scrittura diretta.
In questa ricerca, gli autori hanno sperimentato la stampa 3D di un elettrodo MSC, utilizzando una stampante 3D idrogel (Cell Assembler II), sviluppata presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Università Tsinghua . Hanno scoperto che le sospensioni GO con sospensioni diverse hanno prodotto risultati diversi; ad esempio, le sospensioni concentrate sono adatte per la scrittura diretta di inchiostro a causa della transizione gel-liquido e del comportamento di assottigliamento. I parametri sono stati fissati in base a test reologici, esperimenti di estrusione ed esperimenti di stampa.
Per formare gli elettrodi 3DHG sono stati utilizzati fogli di ossido di grafene ridotto (RGO). Gli inchiostri hanno dimostrato un assottigliamento del taglio “significativo” e un rapido recupero della viscosità, tutti molto favorevoli a DIW.
“L’intervallo di concentrazione ottimale delle sospensioni GO e la dimensione dell’ago corretta sono stati determinati dalla stampa 3D, sulla base dello studio completo della fattibilità per la stampa 3D, della precisione della struttura e dell’ottimizzazione della funzione dell’elettrodo”, hanno concluso i ricercatori. “Attraverso l’indagine sulla scorrevolezza dell’estrusione, controllabilità e stabilità del processo di stampa effettivo, sono state determinate la velocità di scansione e la regione di velocità di estrusione appropriate per costruire la struttura 3D precisa.
“Le MSC 3D a stato solido interamente fabbricate hanno raggiunto un’elevata capacità specifica areale di 101 mF cm −2 a una densità di corrente di 0,5 mA cm −2 e la capacità di 111 mF cm −2 a una velocità di scansione di 10 mV s −1 , che sono superiori alla maggior parte delle MSC allo stato solido che utilizzano materiali a base di carbonio riportati fino ad ora. Le proprietà reologiche desiderabili della sospensione GO altamente concentrata e i parametri di elaborazione ottimizzati della stampa 3D sono di fondamentale importanza per contribuire alla fabbricazione fattibile e alle prestazioni eccellenti dei dispositivi di accumulo dell’energia. “
(a) Illustrazione schematica del processo di fabbricazione di 3DHG-MSC, (b) diagramma di decomposizione strutturale di 3DHG-MSC, (c) immagine ottica dell’architettura interdigitata 3D composta da dita a tre coppie con 5 strati stampati, (d) ottica immagine microscopica dell’elettrodo 3DHG. 
(a) Immagine SEM dei fogli GO, (b) Immagine AFM dei fogli GO, (c) Spettri Raman di GO e RGO utilizzati per l’elettrodo 3DHG, (d) spettro di rilevamento XPS, (e) spettri C1s XPS, ( f) curve XRD di GO, RGO e grafite. 
Risultati dell’esperimento di estrusione delle sospensioni GO con le diverse concentrazioni (17,5, 21,5, 25,5, 31,5, 40,0, 50,0 mg mL-1) per tre diverse dimensioni di ugelli (27G, 30G, 32G).