據(jù)美國(guó)德雷塞爾大學(xué)官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，該校與愛(ài)爾蘭圣三一學(xué)院研究人員合作利用高度導(dǎo)電的二維材料MXene，創(chuàng)造出噴墨打印機(jī)所用的油墨。這種油墨可以任何尺寸和形狀打印柔性能量存儲(chǔ)元件，例如超級(jí)電容。

背景

導(dǎo)電油墨已有近十年的歷史。未來(lái)十年內(nèi)，它有望快速增長(zhǎng)為數(shù)億美元的市場(chǎng)。

導(dǎo)電油墨已用于制造公路收費(fèi)應(yīng)答器所用的射頻識(shí)別標(biāo)簽、便攜式電子產(chǎn)品所用的電路板，以及為汽車車窗安裝嵌入式無(wú)線電天線以及輔助除霜。

通過(guò)導(dǎo)電油墨噴墨打印而成的柔性電子器件(圖片來(lái)源：密歇根州立大學(xué)ChuanWang)

但是，為了在技術(shù)上有更廣泛的應(yīng)用，導(dǎo)電油墨需要變得更加導(dǎo)電，并且更容易應(yīng)用于各種表面。

創(chuàng)新

近日，美國(guó)德雷塞爾大學(xué)（DrexelUniversity）和愛(ài)爾蘭圣三一學(xué)院（TrinityCollege）的科研人員利用高度導(dǎo)電的二維材料MXene，創(chuàng)造出噴墨打印機(jī)所用的油墨。

德雷塞爾大學(xué)工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系教授尤里·高果奇（YuryGogotsi）表示，在德雷塞爾大學(xué)納米材料研究所創(chuàng)造的這種油墨，從上述兩個(gè)方面來(lái)說(shuō)，都是重大進(jìn)展。

相關(guān)論文發(fā)表在《自然通信（NatureCommunications）》期刊上。論文表明，這種油墨可用于以任何尺寸和形狀打印柔性能量存儲(chǔ)元件，例如超級(jí)電容。

高果奇表示：“目前為止，在精細(xì)分辨率印刷和高電荷存儲(chǔ)器件方面，導(dǎo)電油墨只取得了有限的成功。但是，我們的成果表明，通過(guò)高級(jí)噴墨打印機(jī)，所有由MXene印刷而成的微型超級(jí)電容，與現(xiàn)有的其他導(dǎo)電油墨制成的能量存儲(chǔ)器件相比，性能高一個(gè)量級(jí)。”

技術(shù)

研究人員穩(wěn)步地搞清楚，當(dāng)通過(guò)更加導(dǎo)電的新材料，例如納米顆粒銀、石墨烯和鎵來(lái)制造油墨時(shí)，挑戰(zhàn)在于將這些材料無(wú)縫地集成到制造工藝中。據(jù)德雷塞爾大學(xué)材料科學(xué)與工程系助理教授BabakAnasori稱，這些油墨中的大多數(shù)無(wú)法用于一步處理工藝。

Anasori表示：“對(duì)于大多數(shù)其他的納米油墨來(lái)說(shuō)，為了把顆粒聚集在一起進(jìn)行高質(zhì)量印刷，就需要加入添加劑。因此，在印刷之后，就需要一個(gè)額外的步驟（通常是熱或者化學(xué)處理）來(lái)去除那個(gè)添加劑。對(duì)于MXene印刷來(lái)說(shuō)，我們只使用水或有機(jī)溶液中的MXene來(lái)制造油墨。這意味著，無(wú)需任何額外的步驟，它就可以變干。”

MXene是一種碳基、二維層狀材料，2011年誕生于德雷塞爾大學(xué)。它的獨(dú)特能力在于，能與液體（例如水和其他有機(jī)溶液）混合，同時(shí)保持導(dǎo)電性。

因此，德雷塞爾大學(xué)的研究人員通過(guò)各種形式制造并測(cè)試了它，從“導(dǎo)電粘土”到“電磁屏蔽所用的涂層”再到“幾乎不可見(jiàn)的無(wú)線天線”。

調(diào)整濃度來(lái)創(chuàng)造可用于商用打印機(jī)的油墨，只是時(shí)間與迭代的問(wèn)題。油墨中溶劑與MXene的濃度可經(jīng)過(guò)調(diào)整來(lái)適配不同類型的打印機(jī)。

Anasori表示：“如果我們想要大規(guī)模利用任何技術(shù)，并使之可供公眾使用，這項(xiàng)技術(shù)必須變得非常簡(jiǎn)單而且一步完成。噴墨打印機(jī)幾乎每家都有，所以我們知道如果我們可以制造出合適的油墨，那么任何人都可以制造未來(lái)的電子器件。”

作為這項(xiàng)研究的一部分，德雷塞爾大學(xué)的團(tuán)隊(duì)與圣三一學(xué)院的研究人員（擅長(zhǎng)印刷）合作，用MXene油墨測(cè)試一系列打印出來(lái)的產(chǎn)品，包括一個(gè)簡(jiǎn)單的電路、一個(gè)微型超級(jí)電容和一些文字，并采用了從紙張到塑料再到玻璃的各種基底。這樣做時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)，他們可以印刷厚度一致的線，并使油墨傳輸?shù)碾娏髂芨鶕?jù)厚度而變化。在制造電子元器件的過(guò)程中，這兩點(diǎn)都很重要。打印出來(lái)的產(chǎn)品保持了卓越的導(dǎo)電性能，在所有碳基導(dǎo)電油墨中是最高的，這些油墨包括碳納米管和石墨烯。

價(jià)值

所有這些意味著，一種可制造微型元器件的多功能產(chǎn)品。在我們的電子器件中，它表現(xiàn)出重要但又通常被忽視的功能，例如當(dāng)電池沒(méi)電時(shí)提供電力、防止破壞性電涌、加速充電過(guò)程。提供一種表現(xiàn)得更好的材料，以及一種通過(guò)它構(gòu)造東西的新方法，將不僅可以改善我們現(xiàn)有的器件，也將創(chuàng)造出全新的技術(shù)。

Anasori表示：“與傳統(tǒng)制造工藝相比，直接的油墨印刷技術(shù)，例如噴墨印刷和擠出印刷，帶來(lái)了數(shù)字和加成的圖案化、專用化、材料浪費(fèi)的減少、可擴(kuò)展性和快速生產(chǎn)。現(xiàn)在，我們已經(jīng)制造出了可通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)來(lái)應(yīng)用的MXene油墨，我們正在尋找新的機(jī)會(huì)來(lái)使用它。”