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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.