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Drexel University研发出MXene导电墨水可用来打印电路组件

2019-11-14 17:08:52

作者：Drexel University

来自德雷塞尔大学和爱尔兰三一学院的研究人员已经用一种高导电性的二维材料MXene为喷墨打印机制造了墨水。最近发表在《自然通讯》上的研究结果表明，该墨水可以用来打印任何尺寸或形状的柔性储能组件，如超级电容器。

导电油墨已经存在了近十年，代表了价值几亿美元的市场，预计将在未来十年迅速增长。它已经被用来制作公路收费转发器的射频识别标签，便携式电子设备的电路板，它将车窗排列成嵌入式无线电天线，以帮助除霜。但要使这项技术得到更广泛的应用，导电油墨需要变得更导电，更容易应用于各种表面。

德雷塞尔工程学院材料科学与工程杰出教授Yury Gogotsi博士研究了新材料在技术中的应用，他们认为，德雷塞尔纳米材料研究所制造的墨水在这两方面都有显著的进步。

“到目前为止，导电油墨在高分辨率印刷和高电荷存储设备上的成功还很有限，但我们的研究结果表明，使用先进的喷墨打印机，所有MXene打印的微型超级电容器，比现有的由其他导电墨水制成的储能装置大一个数量级。”Gogotsi说。

尽管研究人员正在稳步研究如何从纳米银、石墨烯和镓等新型导电材料中制造油墨，但仍面临着将它们无缝地结合到制造工艺中的挑战。据德雷克塞尔材料科学与工程系的研究助理教授、MXene墨水研究的合著者Babak Anasori博士说，这些墨水中的大多数不能一步到位地使用。

“对于大多数其他纳米墨水，需要添加一种添加剂来将颗粒保持在一起，并允许高质量打印。因此，在印刷后，需要额外的步骤——通常是热处理或化学处理——来去除这种添加剂，”阿纳索里说。对于Mxene打印，我们只在水中使用Mxene或在有机溶液中使用Mxene来制作墨水。这意味着它可以直接干燥而不需要任何额外的步骤。”

MXenes是一种基于碳的二维层状材料，于2011年在德雷塞尔公司制造，具有独特的能力，能够与液体（如水和其他有机溶剂）混合，同时保持其导电性能。正因为如此，德雷塞尔的研究人员已经以多种形式制作和测试了它，从导电粘土到电磁干扰屏蔽涂层，再到近乎隐形的无线天线。

调整浓度以产生用于商业打印机的墨水是一个时间和迭代的问题。油墨中的溶剂和Mxene浓度可根据不同类型的打印机进行调整。

Anasori说：“如果我们真的想大规模地利用任何一种技术，并让它准备好供公众使用，那么它必须变得非常简单，而且要一步到位。几乎每家都有喷墨打印机，所以我们知道，如果我们能制造出合适的墨水，那么任何人都可以制造出未来的电子产品和设备。”

作为这项研究的一部分，德雷塞尔团队与三一学院的研究人员合作，他们是印刷方面的专家，他们把MXene墨水放在一系列的打印输出中进行测试，包括一个简单的电路，一个迷你超级电容器和一些文本，在从纸到塑料到玻璃的基板上。在这样做的过程中，他们发现他们可以打印出厚度一致的线条，并且墨水通过电流的能力随其厚度的变化而变化——这两个都是制造电子元件的重要因素。印刷品保持了其优异的导电性，这是所有碳基导电油墨中最高的，包括碳纳米管和石墨烯。

这是一个多用途的产品，可以用于制造在我们的电子设备中执行重要但往往被忽视的功能型微小组件，例如在电池耗尽时保持电源打开，防止损坏的电浪涌，或加速充电过程。提供一种性能更高的材料和一种新的制造方法，不仅可以改进我们现有的设备，还可以创造全新的技术。

Anasori说：“与传统的生产协议相比，直接喷墨打印技术，如喷墨打印和挤压打印，允许数字和添加图案、定制、减少材料浪费、可扩展性和快速生产。现在我们已经生产出一种可以通过这种技术应用的MXene墨水，我们正在寻找使用它的新机会。”

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