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Nature Communications volume 13, numero articolo: 3223 (2022) Citare questo articolo

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L'elettronica flessibile stampata supportata dalle tecnologie wireless è fondamentale per l'Internet delle cose (IoT), l'interazione uomo-macchina, le applicazioni indossabili e biomediche. Tuttavia, permangono le sfide agli approcci di stampa esistenti, come la bassa precisione di stampa, la difficoltà nella stampa conforme, formulazioni e processi complessi di inchiostri. Qui presentiamo una strategia di stampa diretta a temperatura ambiente per l'elettronica wireless flessibile, in cui moduli funzionali distinti ad alte prestazioni (ad esempio antenne, micro-supercondensatori e sensori) possono essere fabbricati con alta risoluzione e ulteriormente integrati su vari substrati piatti/curvi. Gli inchiostri acquosi MXene al carburo di titanio (Ti3C2Tx) senza additivi sono regolati con un ampio rapporto a strato singolo (>90%) e una distribuzione delle dimensioni delle scaglie stretta, offrendo conduttività metallica (~6.900 S cm−1) nelle tracce stampate ultrafini (interlinea di 3 μm e uniformità spaziale dello 0,43%) senza ricottura. In particolare, costruiamo un sistema integrato interamente stampato da MXene in grado di comunicazione wireless, raccolta di energia e rilevamento intelligente. Questo lavoro apre le porte alla produzione additiva ad alta precisione di componenti elettronici wireless stampati a temperatura ambiente.

I progressi nell’elettronica stampata stimolano continuamente la fabbricazione scalabile e sostenibile di dispositivi indossabili e flessibili1,2,3. A differenza dei tradizionali processi sottrattivi, la stampa diretta a inchiostro offre una valida alternativa per la produzione rapida e su larga scala grazie alle sue procedure relativamente facili ed economiche e alla compatibilità e all’utilizzo desiderabili dei materiali4,5. Tuttavia, per quanto riguarda la fabbricazione a temperatura ambiente di componenti elettronici flessibili, gli approcci di stampa esistenti sono ancora lontani dall’essere ideali. L’ostacolo principale deriva dalle formulazioni degli inchiostri e dai processi di stampa. La maggior parte degli inchiostri stampabili (a base di metallo o carbonio) presentano formulazioni di inchiostro complesse (che richiedono tensioattivi/modificanti reologici/leganti), proprietà fisiche intrinseche insoddisfacenti (ad esempio, scarsa conduttività elettrica) o richiedono lunghi post-trattamenti (ad esempio, temperature elevate ricottura per eliminare gli additivi)6,7. Questi problemi complicano il processo di produzione del dispositivo, escludono la scelta di substrati polimerici a basso costo e compromettono la precisione di stampa del dispositivo e le successive proprietà. D’altro canto, la crescente complessità strutturale dell’elettronica flessibile (in particolare vari sistemi multifunzionali wireless) pone requisiti più elevati per le tecnologie di stampa diretta a inchiostro, in particolare la stampa conforme ad alta precisione e la produzione integrata multi-modulo per evitare trasferimenti e ingombranti dispendi in termini di tempo. processi di assemblaggio8,9.

Un approccio promettente è quello di combinare inchiostri conduttivi acquosi privi di additivi con la tecnologia di stampa per estrusione. Rispetto ad altri metodi di stampa, la stampa per estrusione consente la produzione additiva ad alto rendimento senza maschere e accessori aggiuntivi, offrendo maggiori opportunità nella scelta del materiale/substrato e nell'estensibilità della stampa (da complanare a tridimensionale)10,11. Tuttavia, sebbene gli inchiostri conduttivi acquosi privi di additivi si siano dimostrati promettenti nel semplificare la formulazione dell'inchiostro ed eliminare la post-elaborazione, rimane una sfida dotare gli inchiostri funzionali di proprietà reologiche ed elettriche adeguate per ottenere la fabbricazione a temperatura ambiente di dispositivi elettronici wireless flessibili12,13. A questo proposito, come famiglia emergente di carburi e nitruri di metalli di transizione 2D, gli MXeni, che possiedono proprietà uniche desiderabili per gli inchiostri funzionali (ad esempio conduttività metallica, idrofilia e cariche superficiali negative), offrono nuove possibilità14,15. In particolare, Ti3C2Tx (Tx indica terminazioni superficiali), in quanto MXene più ampiamente studiato, consente la formazione controllabile di dispersioni colloidali acquose stabili prive di additivi16,17 e quindi è stato applicato in diversi dispositivi, come batterie, micro-supercondensatori ( MSC), nanogeneratori triboelettrici (TENG), transistor, sensori, ecc.18,19,20,21. Tuttavia, quando si tratta di fabbricare componenti elettronici wireless flessibili, sono stati ottenuti scarsi successi sulla precisione di stampa a temperatura ambiente di linee di componenti con conduttività elettrica ultraelevata basate su inchiostri MXene. Inoltre, finora è stato raramente segnalato un protocollo realizzabile di stampa integrata multi-modulo per dispositivi wireless completamente stampati.

90%), and narrow flake size distribution, the as-formulated inks showcase desirable shear-thinning viscoelastic properties (viscosity of ~2.5 × 102 Pa·s) allowing continuous extrusion and quick solidification (Fig. 1d, e)23. Supplementary Figure 3 provides more details regarding the ink rheological characteristics. Notably, these aqueous inks are stable without sedimentation when stored in Ar-sealed bottles in the dark and low temperature (<4 °C) for at least two years, ensuring a sufficient time window for potential ink printing. After removing dissolved oxygen, these aqueous inks are also stable for long periods of time under ambient conditions (Supplementary Fig. 4). Besides, the ink wettability on the substrates are enhanced through plasma treatments to form continuous films and improve the substrate adhesion (See more details in Supplementary Figs. 5–7)24,25./p>

, bottom) in e. g Raman spectrum of MXene films on different substrates. h SEM image of the MXene film. Scale bar, 25 µm. i Sheet resistance (in red) and thickness (in blue) of MXene films as a function number of printing pass, . Inset: the surface profile of MXene films ( = 6). Scale bar, 1 mm. j The electrical conductivity changes of MXene films as a function of . The red and blue dots represent that the MXene films were dried under ambient conditions and low humidity, respectively. k The comparison of ink conductivity (σ) and concentration (c) of the MXene ink with other reported printable ink systems./p> results in thicker films with lower sheet resistance. Notably, the printed thickness scales linearly with , another indicative of high-resolution prints with sharp printing edges (Supplementary Fig. 17); otherwise, the thickness deviates from the fitted line because of the dome formation. Based on the sheet resistance and thickness, the electrical conductivity of all-printed lines was obtained, showing a value up to 6260 S cm−1 when = 2 right after printing (Fig. 2j), which can be further improved to 6900 S cm−1 by simply storing in low-humidity condition (~10% RH) for 4 h. We note the direct printing of MXene inks at room temperature to achieve metallic conductivity possesses apparent advantages over the printing of liquid metals or other metal-based inks (such as Zn, Ag nanoparticles, Supplementary Table 2), as the latter require either UV curing or annealing, which is not plausible for printed electronics mounted on temperature-sensitive, low-cost substrates./p> = 2), exceeding that of all other reported printable inks27. The preferable rheological, electrical, and mechanical properties of MXene inks suggest the great plausibility of room-temperature printing of high-performance flexible wireless electronics, as discussed below./p>30 versatile members and is still quickly expanding, more advanced MXene-based wireless electronics may be enabled by either choosing novel MXene inks and/or the booming printing/wireless technologies40,41 or varying the energy storage devices (such as flexible batteries, solar cells, TENGs, etc.)42/sensing modules (such as flexible chemical, physical, and biological sensors)43,44 etc./p>