Nat. Commun.｜MXene水性油墨室温高精度直接打印柔性无线电子器件
柔性电子技术如今已在物联网、人机交互、可穿戴和生物医学等领域得到越来越多的应用。而功能材料的直接打印可以为这些智能电子产品的生产提供批量化和更个性化的可能。与传统制造工艺相比，挤出打印等直接打印技术允许用户数字化生产器件，具有材料损失小、可打印基底范围广等优点，且无需额外的模板或配件。直接打印技术的核心是开发具有合适流变学性能（主要是表面张力和粘度）的功能性墨汁。但在目前报道中，绝大部分墨汁的组成都较为复杂，含有各种添加剂以调控流变学性能。而这些添加剂的使用会导致打印后的处理程序（如高温退火等）变得繁杂耗时，也会减少可打印基底的选择范围。因此迫切需要研发一种既能实现打印器件优异电导率和机械性能，又无需添加剂的导电油墨，这对于规模化生产柔性电子器件至关重要。另一方面，随着柔性电子设备结构复杂性的不断提高，直接油墨印刷技术在高精度适形印刷和多模块集成制造等方面也有了更高的要求。
近年来，过渡金属碳氮化物纳米片（MXene）作为一个新兴的二维材料家族受到了越来越多的关注。诸多研究已证明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、优异的电导率和机械强度等优点。在研发MXene墨汁和实现其高精度打印的过程中，主要的挑战来自以下几个方面。首先，在MXene墨汁的制备方面，其流变学性能和纳米片直径分布需要与打印针头的尺寸具有良好匹配，这是实现持续挤出打印的关键，也是提升打印精度的前提；另外，墨汁需要与基材的表面能相匹配，这样才能减弱挤出打印后墨汁的咖啡环效应，形成均匀干燥的连续薄膜。此外，高精度打印还需要考虑墨汁的溶剂挥发动力学，这会直接影响打印器件的精度和分辨率。
因此，为了实现室温条件下柔性无线电子器件的高精度直接打印，必须简化功能性墨汁的配方，改善其流变学特性，提升粘度和电导率等。目前，具有高精度的印刷式器件虽已有报道，但尚无使用无添加MXene水性墨汁在室温下直接打印柔性无线电子器件的成功先例。
近日，浙江大学平建峰教授、应义斌教授和瑞士联邦理工学院联邦材料研究所张传芳研究员合作，报道了一种基于MXene水性墨汁的室温直接打印技术，可在多种柔性基底上实现无线可穿戴电子器件的直接适形打印，且无需印后退火等繁琐处理工序。该成果在线发表于国际期刊Nature Communications上，题目为Room-temperature high-precision printing of flexible wireless electronics based on MXene inks，邵雨舟为本文第一作者。
图1. MXene墨汁室温直接打印柔性无线电子及墨汁性能表征。
图2. MXene墨汁室温直接打印的精度和导电性表征。
图3. MXene墨汁打印的近场通讯器件。
图4. MXene墨汁打印的射频识别器件。
图5. 基于MXene墨汁打印的具有温湿度传感、能量存储和无线通讯功能的集成感知系统。
在这项研究中，研究者们不断优化墨汁制备工艺，研发了一种具有高单层比和窄片径分布特点的无添加MXene水性油墨。高浓度的MXene水性油墨具有适合于挤出打印的流变学特性，能在印后保持形状和快速干燥，从而实现功能电路的室温直接打印，且无需高温退火等后处理工序。基于良好的挤出打印效果、基底润湿性和干燥效果，MXene水性油墨的直接打印拥有较高的打印精度，可以达到3 μm的超窄打印间距。由于在挤出打印过程中受到剪切力作用，MXene纳米片会在打印后形成致密的高导电薄膜，该薄膜拥有良好的机械弯曲性能。室温直接打印策略使可印制基底具有更广的范围选择，并且可以实现不规则基底上的适形打印，如在植物叶片上等。
在计算机图案设计辅助下，MXene水性油墨和挤出打印技术的组合可以实现任意定制图案的高分辨率快速打印。例如，研究人员使用MXene水性油墨制备了近场通讯天线，可以实现无线信息识别和能量传递功能。研究人员还打印了具有温度测量功能的射频识别标签，可以远距离监测叶温和人体表面温度。另外，使用这一室温打印策略还可以实现复杂器件的一体化印制。研究人员展示了一套全MXene打印的集成感知系统，能够快速获取环境中的温湿度信息，同时支持无线通讯和能量存储功能。
关于MXene水性油墨室温直接打印的研究显示了其在柔性无线电子研发方面的巨大潜力。使用这一室温打印策略，不同的功能模块可以被快速地制造并集成，也使其在农业传感、环境检测、物联网、智能包装、健康监测等领域具有很大的潜在应用价值。
文献链接
https://www.nature.com/articles/s41467-022-30648-2
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