據美國德雷塞爾大學官網近日報道，該校與愛爾蘭圣三一學院研究人員合作利用高度導電的二維材料MXene，創造出噴墨打印機所用的油墨。這種油墨可以任何尺寸和形狀打印柔性能量存儲元件，例如超級電容。

背景

導電油墨已有近十年的歷史。未來十年內，它有望快速增長為數億美元的市場。

導電油墨已用于制造公路收費應答器所用的射頻識別標簽、便攜式電子產品所用的電路板，以及為汽車車窗安裝嵌入式無線電天線以及輔助除霜。

通過導電油墨噴墨打印而成的柔性電子器件(圖片來源：密歇根州立大學ChuanWang)

但是，為了在技術上有更廣泛的應用，導電油墨需要變得更加導電，并且更容易應用于各種表面。

創新

近日，美國德雷塞爾大學（DrexelUniversity）和愛爾蘭圣三一學院（TrinityCollege）的科研人員利用高度導電的二維材料MXene，創造出噴墨打印機所用的油墨。

德雷塞爾大學工程學院材料科學與工程系教授尤里·高果奇（YuryGogotsi）表示，在德雷塞爾大學納米材料研究所創造的這種油墨，從上述兩個方面來說，都是重大進展。

相關論文發表在《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元件，例如超級電容。

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

技術

研究人員穩步地搞清楚，當通過更加導電的新材料，例如納米顆粒銀、石墨烯和鎵來制造油墨時，挑戰在于將這些材料無縫地集成到制造工藝中。據德雷塞爾大學材料科學與工程系助理教授BabakAnasori稱，這些油墨中的大多數無法用于一步處理工藝。

Anasori表示：“對于大多數其他的納米油墨來說，為了把顆粒聚集在一起進行高質量印刷，就需要加入添加劑。因此，在印刷之后，就需要一個額外的步驟（通常是熱或者化學處理）來去除那個添加劑。對于MXene印刷來說，我們只使用水或有機溶液中的MXene來制造油墨。這意味著，無需任何額外的步驟，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。它的獨特能力在于，能與液體（例如水和其他有機溶液）混合，同時保持導電性。

因此，德雷塞爾大學的研究人員通過各種形式制造并測試了它，從“導電粘土”到“電磁屏蔽所用的涂層”再到“幾乎不可見的無線天線”。

調整濃度來創造可用于商用打印機的油墨，只是時間與迭代的問題。油墨中溶劑與MXene的濃度可經過調整來適配不同類型的打印機。

Anasori表示：“如果我們想要大規模利用任何技術，并使之可供公眾使用，這項技術必須變得非常簡單而且一步完成。噴墨打印機幾乎每家都有，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的電子器件。”

作為這項研究的一部分，德雷塞爾大學的團隊與圣三一學院的研究人員（擅長印刷）合作，用MXene油墨測試一系列打印出來的產品，包括一個簡單的電路、一個微型超級電容和一些文字，并采用了從紙張到塑料再到玻璃的各種基底。這樣做時，他們發現，他們可以印刷厚度一致的線，并使油墨傳輸的電流能根據厚度而變化。在制造電子元器件的過程中，這兩點都很重要。打印出來的產品保持了卓越的導電性能，在所有碳基導電油墨中是最高的，這些油墨包括碳納米管和石墨烯。

價值

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

Anasori表示：“與傳統制造工藝相比，直接的油墨印刷技術，例如噴墨印刷和擠出印刷，帶來了數字和加成的圖案化、專用化、材料浪費的減少、可擴展性和快速生產。現在，我們已經制造出了可通過這項技術來應用的MXene油墨，我們正在尋找新的機會來使用它。”