Проводящие чернила существуют уже почти десять лет, и они представляют собой рынок стоимостью в несколько сотен миллионов долларов, который, как ожидается, будет быстро расти в следующем десятилетии. Он уже используется для изготовления радиочастотных идентификационных меток, используемых в транспондерах для взимания платы за проезд на автомагистралях, печатных платах в портативной электронике, а также для облицовки окон автомобилей в качестве встроенных радиоантенн и для помощи при размораживании. Но для того, чтобы технология получила более широкое применение, проводящие чернила должны стать более проводящими и более удобными для нанесения на различные поверхности.
Юрий Гогоци, доктор философии, заслуженный университет и профессор Баха инженерного колледжа Дрекселя, факультет материаловедения и инженерии, изучающий применение новых материалов в технологиях, предполагает, что чернила, созданные в Институте наноматериалов Дрекселя, являются значительным достижением в обоих направлениях. фронты.
«Пока только ограниченный успех был достигнут с проводящими чернилами как в печати с высоким разрешением, так и в устройствах хранения с высоким уровнем заряда», – сказал Гогоци. «Но наши результаты показывают, что микроконденсаторы, полностью изготовленные на основе MXene, изготовленные с помощью современного струйного принтера, на порядок больше, чем существующие устройства хранения энергии, изготовленные из других проводящих чернил."
В то время как исследователи неуклонно ищут способы изготовления чернил из новых, более проводящих материалов, таких как наночастицы серебра, графена и галлия, остается проблема их беспрепятственного включения в производственные процессы. По словам Бабака Анасори, доктора философии, доцента-исследователя кафедры материаловедения и инженерии Дрекселя и соавтора исследования чернил MXene, большинство этих чернил нельзя использовать в одноэтапном процессе.
«Для большинства других нанокрасок требуется добавка, чтобы удерживать частицы вместе и обеспечивать высококачественную печать. По этой причине после печати требуется дополнительный этап – обычно термическая или химическая обработка – для удаления этой добавки », – сказал Анасори. «Для печати MXene мы используем только MXene в воде или MXene в органическом растворе, чтобы чернила. Это означает, что он может сохнуть без каких-либо дополнительных действий."
MXenes – это тип двумерных слоистых материалов на основе углерода, созданных в Drexel в 2011 году, которые обладают уникальной способностью смешиваться с жидкостями, такими как вода и другие органические растворители, сохраняя при этом свои проводящие свойства. Из-за этого исследователи Drexel изготовили и протестировали его в различных формах, от проводящей глины до покрытия для защиты от электромагнитных помех и почти невидимой беспроводной антенны.
Регулировка концентрации для создания чернил для использования в коммерческом принтере было вопросом времени и повторения.
Концентрацию растворителя и MXene в чернилах можно отрегулировать для различных типов принтеров.
«Если мы действительно хотим воспользоваться преимуществами любой технологии в больших масштабах и подготовить ее к общедоступному использованию, это должно стать очень простым и выполнимым за один шаг», – сказал Анасори. "Струйный принтер можно найти практически в каждом доме, поэтому мы знали, что если мы сможем производить надлежащие чернила, было бы возможно, что кто угодно сможет создавать электронику и устройства будущего."
В рамках исследования команда Drexel в сотрудничестве с исследователями из Тринити-колледжа, которые являются экспертами в области печати, проверила чернила MXene в серии распечаток, включая простую схему, микроконденсатор и некоторый текст на подложки от бумаги до пластика и стекла. При этом они обнаружили, что могут печатать линии одинаковой толщины и что способность чернил пропускать электрический ток зависит от их толщины – оба важных фактора при производстве компонентов электроники.
А распечатки сохранили превосходную электропроводность, которая является самой высокой среди всех проводящих чернил на углеродной основе, включая углеродные нанотрубки и графен.
Все это составляет очень универсальный продукт для создания крошечных компонентов, которые выполняют важные, но часто упускаемые из виду функции в наших электронных устройствах – такие задачи, как сохранение питания, когда батарея умирает, предотвращение разрушительных электрических скачков или ускорение процесса зарядки.
Предоставление более качественного материала и нового способа создания вещей из него может привести не только к улучшениям наших текущих устройств, но и к созданию совершенно новых технологий.
«По сравнению с традиционными производственными протоколами, методы прямой печати чернилами, такие как струйная печать и экструзионная печать, позволяют создавать цифровые и аддитивные рисунки, настраивать, сокращать отходы материалов, масштабировать и быстро производить», – сказал Анасори. «Теперь, когда мы создали чернила MXene, которые можно наносить с помощью этой техники, мы открываем мир новых возможностей для их использования."