研究背景

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。

成果简介

近日，浙大平建峰、应义斌教授团队和瑞士联邦理工学院联邦材料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。

正文

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3μm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。

图文导读

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墨汁印制的射频识别器件

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

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30648-2

专家介绍

张传芳


瑞士联邦理工学院联邦材料研究所张传芳（高级科学家）在MXene的制备、储能、应用、制造领域的研究不断取得新的进展。通过探索MXene的制备工艺，开发了MXene水系、油系粘稠墨汁、沉淀墨汁、复合墨汁，阐明了MXene的不稳定机理，并提出了大幅延长MXene寿命的有效措施，被众多MXene研究团队广泛采用。所开发的MXene墨汁在超级电容器、透明导电薄膜、高载量高容量锂离子电池、钠离子电池、锂金属电池、锂硫电池等领域均展现出优异的储能特性。这些相关的研究工作发表在Springer Nature（专著）, Nature Energy, Nature Communications, Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., ACS Nano, Small, Nano Energy, Energy Storage Mater., Chem. Mater., Adv. Opt. Mater., JMCA等期刊，SCI论文引用4000余次，并在墨汁开发和高面容量硅负极等领域申请了一系列发明专利，入围2016、2018爱尔兰年度实验科学家、年度实验研究员、年度青年领军人物，获评2019欧洲华人十大科技领军人物等称号。

平建峰


平建峰博士，现任浙江大学生物系统工程与食品科学学院智能生物产业装备创新团队（IBE）长聘教授，博士生导师，2016年入选浙江大学“百人计划”，国家优秀青年科学基金获得者。主要从事农业信息微纳感知机理与方法及农业微纳智能传感器研究。目前已在Nat. Food, Nat. Commun., PNAS, Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., Adv. Sci., Adv. Energy Mater., ACS Nano, Nano Energy, Adv. Funct. Mater., Small,  Biosens. Bioelectron.等国际高水平期刊上发表论文100余篇，累计他引次数大于5000余次，H指数37，以第一发明人累计获得国家发明专利15件。

应义斌


应义斌，浙江省特级专家、长江学者特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者、国家教学名师、全国农业杰出科研人才、国家级教学团队负责人、全国模范教师、浙江省劳动模范、宝钢优秀教师特等奖获得者、2014年度国家级教学成果一等奖第一完成人、2009年度国家级教学成果一等奖第一完成人、2008年度国家技术发明二等奖第一完成人、2009年度全国百篇优秀博士学位论文指导教师、中国农业工程学会副理事长、中国农业机械学会副理事长和国务院学位委员会农业工程学科评议组第二召集人。

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