6月9日，浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院平建峰、應(yīng)義斌教授團(tuán)隊(duì)（IBE）聯(lián)合浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院和瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究所的合作者在NATURE子刊（Nature Communications）上發(fā)表研究論文“Room-temperature high-precision printing of flexible wireless electronics based on MXene inks”。該研究報(bào)道了一種基于MXene水性墨汁的室溫直接打印技術(shù)，可在多種柔性基底上實(shí)現(xiàn)無(wú)線可穿戴電子器件的直接適形打印，且無(wú)需印后退火等繁瑣處理工序。

 

　　柔性電子技術(shù)如今已在物聯(lián)網(wǎng)、人機(jī)交互、可穿戴和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用。而功能材料的直接打印可以為這些智能電子產(chǎn)品的生產(chǎn)提供批量化和更個(gè)性化的可能。與傳統(tǒng)制造工藝相比，擠出打印等直接打印技術(shù)允許用戶數(shù)字化生產(chǎn)器件，具有材料損失小、可打印基底范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，且無(wú)需額外的模板或配件。直接打印技術(shù)的核心是開發(fā)具有合適流變學(xué)性能（主要是表面張力和粘度）的功能性墨汁。但在目前報(bào)道中，絕大部分墨汁的組成都較為復(fù)雜，含有各種添加劑以調(diào)控流變學(xué)性能。而這些添加劑的使用會(huì)導(dǎo)致打印后的處理程序（如高溫退火等）變得繁雜耗時(shí)，也會(huì)減少可打印基底的選擇范圍。因此迫切需要研發(fā)一種既能實(shí)現(xiàn)器件優(yōu)異電導(dǎo)率和機(jī)械性能，又無(wú)需添加劑的導(dǎo)電油墨，這對(duì)于規(guī)模化生產(chǎn)柔性電子器件至關(guān)重要。另一方面，隨著柔性電子設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的不斷提高，直接油墨印刷技術(shù)在高精度適形印刷和多模塊集成制造等方面也有了更高的要求。

 

　　近年來(lái)，過渡金屬碳氮化物納米片（MXene）作為一個(gè)新興的二維材料家族受到了越來(lái)越多的關(guān)注。諸多研究已證明MXene是很好的功能性墨汁材料，尤其是Ti3C2Tx，其具有良好的水溶性、優(yōu)異的電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。在研發(fā)MXene墨汁和實(shí)現(xiàn)其高精度打印的過程中，主要的挑戰(zhàn)來(lái)自以下幾個(gè)方面。首先，在MXene墨汁的制備方面，其流變學(xué)性能和納米片直徑分布需要與打印針頭的尺寸具有良好匹配，這是實(shí)現(xiàn)持續(xù)擠出打印的關(guān)鍵，也是提升打印精度的前提；另外，墨汁需要與基材的表面能相匹配，這樣才能減弱擠出打印后墨汁的咖啡環(huán)效應(yīng)，形成均勻干燥的連續(xù)薄膜。此外，高精度打印還需要考慮墨汁的溶劑揮發(fā)動(dòng)力學(xué)，這會(huì)直接影響打印器件的精度和分辨率。

 

　　在這項(xiàng)研究中，研究者們不斷優(yōu)化墨汁制備工藝，研發(fā)了一種具有高單層比和窄片徑分布特點(diǎn)的無(wú)添加MXene水性油墨。高濃度的MXene水性油墨具有適合于擠出打印的流變學(xué)特性，能在印后保持形狀和快速干燥，從而實(shí)現(xiàn)功能電路的室溫直接打印，且無(wú)需高溫退火等后處理工序。基于良好的擠出打印效果、基底潤(rùn)濕性和干燥效果，MXene水性油墨的直接打印擁有較高的打印精度，可以達(dá)到3 μm的超窄打印間距。由于在擠出打印過程中受到剪切力作用，MXene納米片會(huì)在打印后形成致密的高導(dǎo)電薄膜，該薄膜擁有良好的機(jī)械彎曲性能。室溫直接打印策略使可印制基底具有更廣的范圍選擇，并且可以實(shí)現(xiàn)不規(guī)則基底上的適形打印，如在植物葉片上等。

 

　　在計(jì)算機(jī)圖案設(shè)計(jì)輔助下，MXene水性油墨和擠出打印技術(shù)的組合可以實(shí)現(xiàn)任意定制圖案的高分辨率快速打印。例如，研究人員使用MXene水性油墨制備了近場(chǎng)通訊天線，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線信息識(shí)別和能量傳遞功能。研究人員還打印了具有溫度測(cè)量功能的射頻識(shí)別標(biāo)簽，可以遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)葉溫和人體表面溫度。另外，使用這一室溫打印策略還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜器件的一體化印制。研究人員展示了一套全MXene打印的集成感知系統(tǒng)，能夠快速獲取環(huán)境中的溫濕度信息，同時(shí)支持無(wú)線通訊和能量存儲(chǔ)功能。

 

　　關(guān)于MXene水性油墨室溫直接打印的研究顯示了其在柔性無(wú)線電子研發(fā)方面的巨大潛力。使用這一室溫打印策略，不同的功能模塊可以被快速地制造并集成，也使其在農(nóng)業(yè)傳感、環(huán)境檢測(cè)、物聯(lián)網(wǎng)、智能包裝、健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

 

　　該研究論文第一作者為生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院博士生邵雨舟，通訊作者為浙江大學(xué)平建峰教授、應(yīng)義斌教授以及瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究所張傳芳研究員，參與該工作的還有浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院皇甫江濤副教授。本研究獲得了國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金等項(xiàng)目資助。

 

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