6月9日，浙江大學生物系統工程與食品科學學院平建峰、應義斌教授團隊（IBE）聯合浙江大學信息與電子工程學院和瑞士聯邦材料科學與技術研究所的合作者在NATURE子刊（Nature Communications）上發表研究論文“Room-temperature high-precision printing of flexible wireless electronics based on MXene inks”。該研究報道了一種基于MXene水性墨汁的室溫直接打印技術，可在多種柔性基底上實現無線可穿戴電子器件的直接適形打印，且無需印后退火等繁瑣處理工序。
柔性電子技術如今已在物聯網、人機交互、可穿戴和生物醫學等領域得到越來越多的應用。而功能材料的直接打印可以為這些智能電子產品的生產提供批量化和更個性化的可能。與傳統制造工藝相比，擠出打印等直接打印技術允許用戶數字化生產器件，具有材料損失小、可打印基底范圍廣等優點，且無需額外的模板或配件。直接打印技術的核心是開發具有合適流變學性能（主要是表面張力和粘度）的功能性墨汁。但在目前報道中，絕大部分墨汁的組成都較為復雜，含有各種添加劑以調控流變學性能。而這些添加劑的使用會導致打印后的處理程序（如高溫退火等）變得繁雜耗時，也會減少可打印基底的選擇范圍。因此迫切需要研發一種既能實現器件優異電導率和機械性能，又無需添加劑的導電油墨，這對于規模化生產柔性電子器件至關重要。另一方面，隨著柔性電子設備結構復雜性的不斷提高，直接油墨印刷技術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，過渡金屬碳氮化物納米片（MXene）作為一個新興的二維材料家族受到了越來越多的關注。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、優異的電導率和機械強度等優點。在研發MXene墨汁和實現其高精度打印的過程中，主要的挑戰來自以下幾個方面。首先，在MXene墨汁的制備方面，其流變學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，這是實現持續擠出打印的關鍵，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效應，形成均勻干燥的連續薄膜。此外，高精度打印還需要考慮墨汁的溶劑揮發動力學，這會直接影響打印器件的精度和分辨率。
在這項研究中，研究者們不斷優化墨汁制備工藝，研發了一種具有高單層比和窄片徑分布特點的無添加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特性，能在印后保持形狀和快速干燥，從而實現功能電路的室溫直接打印，且無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納米片會在打印后形成致密的高導電薄膜，該薄膜擁有良好的機械彎曲性能。室溫直接打印策略使可印制基底具有更廣的范圍選擇，并且可以實現不規則基底上的適形打印，如在植物葉片上等。
在計算機圖案設計輔助下，MXene水性油墨和擠出打印技術的組合可以實現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通訊天線，可以實現無線信息識別和能量傳遞功能。研究人員還打印了具有溫度測量功能的射頻識別標簽，可以遠距離監測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現復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，能夠快速獲取環境中的溫濕度信息，同時支持無線通訊和能量存儲功能。
關于MXene水性油墨室溫直接打印的研究顯示了其在柔性無線電子研發方面的巨大潛力。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，也使其在農業傳感、環境檢測、物聯網、智能包裝、健康監測等領域具有很大的潛在應用價值。
該研究論文第一作者為生物系統工程與食品科學學院博士生邵雨舟，通訊作者為浙江大學平建峰教授、應義斌教授以及瑞士聯邦材料科學與技術研究所張傳芳研究員，參與該工作的還有浙江大學信息與電子工程學院皇甫江濤副教授。本研究獲得了國家優秀青年科學基金、中央高校基本科研業務費專項資金等項目資助。
全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30648-2
日期：2022-06-28
柔性電子技術如今已在物聯網、人機交互、可穿戴和生物醫學等領域得到越來越多的應用。而功能材料的直接打印可以為這些智能電子產品的生產提供批量化和更個性化的可能。與傳統制造工藝相比，擠出打印等直接打印技術允許用戶數字化生產器件，具有材料損失小、可打印基底范圍廣等優點，且無需額外的模板或配件。直接打印技術的核心是開發具有合適流變學性能（主要是表面張力和粘度）的功能性墨汁。但在目前報道中，絕大部分墨汁的組成都較為復雜，含有各種添加劑以調控流變學性能。而這些添加劑的使用會導致打印后的處理程序（如高溫退火等）變得繁雜耗時，也會減少可打印基底的選擇范圍。因此迫切需要研發一種既能實現器件優異電導率和機械性能，又無需添加劑的導電油墨，這對于規模化生產柔性電子器件至關重要。另一方面，隨著柔性電子設備結構復雜性的不斷提高，直接油墨印刷技術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，過渡金屬碳氮化物納米片（MXene）作為一個新興的二維材料家族受到了越來越多的關注。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、優異的電導率和機械強度等優點。在研發MXene墨汁和實現其高精度打印的過程中，主要的挑戰來自以下幾個方面。首先，在MXene墨汁的制備方面，其流變學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，這是實現持續擠出打印的關鍵，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效應，形成均勻干燥的連續薄膜。此外，高精度打印還需要考慮墨汁的溶劑揮發動力學，這會直接影響打印器件的精度和分辨率。
在這項研究中，研究者們不斷優化墨汁制備工藝，研發了一種具有高單層比和窄片徑分布特點的無添加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特性，能在印后保持形狀和快速干燥，從而實現功能電路的室溫直接打印，且無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納米片會在打印后形成致密的高導電薄膜，該薄膜擁有良好的機械彎曲性能。室溫直接打印策略使可印制基底具有更廣的范圍選擇，并且可以實現不規則基底上的適形打印，如在植物葉片上等。
在計算機圖案設計輔助下，MXene水性油墨和擠出打印技術的組合可以實現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通訊天線，可以實現無線信息識別和能量傳遞功能。研究人員還打印了具有溫度測量功能的射頻識別標簽，可以遠距離監測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現復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，能夠快速獲取環境中的溫濕度信息，同時支持無線通訊和能量存儲功能。
關于MXene水性油墨室溫直接打印的研究顯示了其在柔性無線電子研發方面的巨大潛力。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，也使其在農業傳感、環境檢測、物聯網、智能包裝、健康監測等領域具有很大的潛在應用價值。
該研究論文第一作者為生物系統工程與食品科學學院博士生邵雨舟，通訊作者為浙江大學平建峰教授、應義斌教授以及瑞士聯邦材料科學與技術研究所張傳芳研究員，參與該工作的還有浙江大學信息與電子工程學院皇甫江濤副教授。本研究獲得了國家優秀青年科學基金、中央高校基本科研業務費專項資金等項目資助。
全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30648-2
日期：2022-06-28
