Estructuras tridimensionales compuestas de material orgánico y grafeno multicapa obtenidas mediante impresión directa

Resumen

La impresión mediante extrusión de filamento (robocasting) es un método de impresión directa que permite el desarrollo de arquitecturas complejas diseñadas por ordenador mediante el depósito controlado y continuo, del filamento extrudido por una fina aguja. Utilizando de multicapas de óxido de grafeno (GO) y de grafeno (GNP) se han desarrollado estructuras autosoportadas en forma de red cúbica interconectada mediante el método de robocasting. Para ello, se han formulado diversas tintas -GO, GNP y mezclas de ambos- de base acuosa, utilizando dos sistemas de aditivos orgánicos, uno de carácter iónico (polielectrolitos) y otro aniónico (hidrogel), para conseguir un comportamiento reológico especifico que permita tintas imprimibles. Dado que algunas tintas poseen gran cantidad de agua, el secado tras la impresión ha supuesto un reto importante, por lo que se han investigado varias rutas hasta conseguir un método idóneo que evita daños en las estructuras 3D. Ambos tipos de andamiajes grafenicos se han tratado térmicamente a temperaturas intermedias para eliminar la carga de polímero, aumentar la consistencia mecánica y en el caso de GO, favorecer su reducción. Los andamiajes de GO reducidos se han elegido para el posterior desarrollo de materiales compuestos con diferentes matrices: cerámica, metálica y vítrea. Las estructuras con fase cerámica se obtienen por una ruta precerámica, utilizando la infiltración con un precursor polimérico líquido tipo polisilazano. Tras los tratamientos térmico de curado y pirólisis, se consigue una matriz amorfa del tipo SiCN sustentada por una red interconectada de nanoplaquetas de rGO, que terpokduce filmente la estructura impresa. En el caso de la matriz metálica, se ha optado por electrodepositar con cobre las estructuras 3D de rGO consiguiendo así formar una fina capa de Cu alrededor de los rodillos, y también con nucleaciones de Cu en el interior. De nuevo la estructura de esta material compuesto heterogéneo reproduce el diseño original 3D. Por último, en el caso de la fase vítrea, se emplearon soles de sílice y sílice con una pequeña cantidad de aluminio para infiltrar las estructuras. En este caso, el curso y gelificación se realizó por una vía química, para asegurar la integridad de la estructura durante el proceso. Todas las estructuras compuestas desarrolladas se han analizado mecánicamente y eléctricamente, y comparando con las estructuras rGO originales, se han elaborado mapas de las propiedades de los mismos para favorecer la comparación. Finalmente, se han conducido experimentos que demuestran la utilidad de algunos de los compuestos 3D desarrollados como electrodo en supercondensadores, y como disipadores de calor.