近期，莱斯大学的科学家又在尝试焊接纳米薄片以形成坚韧的多孔材料。研究人员通过实验发现，聚焦的离子束显微镜图像显示出一块焊接在一起的3D石墨烯层。该材料符合骨植入标准所必需的生物相容性和材料性能。
莱斯大学材料实验室的科学家PulickelAjayan和同事在美国得克萨斯、巴西和印度等地使用放电等离子体烧结焊接石墨烯氧化物的薄片，其机械性能与生物相容性能和钛相媲美，成为一个标准的骨替代材料的多孔固体。
这项发现发表在《先进材料》论文里。研究人员相信他们的技术将能够创造出高度复杂的石墨形状，而且只需要几分钟，他们认为这种工艺会比特种金属加工更容易创造出特殊材料。
“我们开始思考骨植入，因为石墨烯是最有趣的材料之一，它能创造出许多可能性，因为它具有一般的生物相容性。”莱斯大学博士后研究助理 ChandraSekharTiwary对《第一财经日报》记者表示。Tiwary也是论文的共同第一作者。另一名第一作者 DibyenduChakravarty来自印度海得拉巴粉末冶金新材料研究中心。Tiwary说：“四件事情很重要：机械性能、密度、孔隙率和生物相容性。”
新型的3D打印材料
研究人员通过改变纳米级的焊缝上的电压来控制材料的密度。虽然实验在室温下进行，研究人员还把烧结温度提高到200至400摄氏度以制成各种密度的石墨烯的固体。Tiwary表示：“实验证明在300℃局部温度能够得到最好的样品。”
在美国明尼苏达州高科技纳米制造公司海思创(Hysitron)同事的帮助下，研究人员通过与一个扫描电子显微镜连接反复测试二至五层接合石墨烯的承载能力，并发现它们在70微牛(micronewtons)的压力下仍然很稳定。此外，他们还在得克萨斯大学MD安德森癌症中心研究人员的帮助下，成功地在该石墨烯材料上培养出细胞，显示了其生物相容性。令人惊喜的是，研究人员还发现了烧结过程具有去氧化功能，能够使得氧化石墨烯薄片变成纯双层石墨，这使得它们比单层石墨或石墨烯氧化物具有更加稳定的能力。
Ajayan表示，这个实验证明了如何使用常规的技术来制成非常规的材料。但是一个重要的前提是，二维材料能够量产制成密度和强度都合适的3D材料。“二维材料的好处是它能够在很大的表面积上实现连接，你只要去克服一个小小的活化能，增加焊接强度。”Ajayan说，“纳米积木之间的工程结构和强大的接口是实现这些目标的最大的挑战，但在这种情况下，放电等离子烧结似乎是有效的加入石墨烯片并制作成3D石墨材料的方法。”
Tiwary还表示，放电等离子烧结在工业上一般与陶瓷一起被用来制造复杂的零件。“该技术采用高脉冲电流把焊片瞬间连接起来。你只需要高电压，不需要高压或者高温。”他说，他们制作的材料近50%是多孔的，密度只有普通石墨的一半，只有金属钛的四分之一。但它有足够的抗压强度——40兆帕，这样能符合骨植入的要求——骨骼中的扭力可以使得它在水中也不会溶解。