Forskare från Drexel University och Trinity College i Irland, har skapat bläck för en bläckstråleskrivare av en mycket ledande typ av tvådimensionellt material som kallas MXene. De senaste fynden, publiceras i Naturkommunikation , föreslår att bläcket kan användas för att skriva ut flexibla energilagringskomponenter, som superkondensatorer, i valfri storlek eller form.

Konduktiva bläck har funnits i nästan ett decennium och de representerar en marknad på flera hundra miljoner dollar som förväntas växa snabbt under nästa decennium. Den används redan för att tillverka radiofrekvensidentifieringsetiketter som används i transpondrar för vägtullar, kretskort i bärbar elektronik och det fodrar bilrutor som inbyggda radioantenner och för att underlätta avfrostning. Men för att tekniken ska se bredare användning, ledande bläck måste bli mer ledande och lättare appliceras på en rad olika ytor.

Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University och Bach professor vid Drexel's College of Engineering, Institutionen för materialvetenskap och teknik, som studerar tillämpningar av nya material inom teknik, antyder att bläcket som skapats i Drexels Nanomaterials Institute är ett betydande framsteg på båda dessa fronter.

"Hittills har endast begränsad framgång uppnåtts med ledande bläck i både finupplösta utskrifter och högladdningslagringsenheter, ", sa Gogotsi. "Men våra resultat visar att mikrosuperkondensatorer i helt MXene-typ, gjord med en avancerad bläckstråleskrivare, är en storleksordning större än befintliga energilagringsenheter gjorda av andra ledande bläck."

Medan forskare ständigt hittar på sätt att göra bläck från nya, mer ledande material, som nanopartikelsilver, grafen och gallium, utmaningen kvarstår att integrera dem sömlöst i tillverkningsprocesser. De flesta av dessa bläck kan inte användas i en enstegsprocess, enligt Babak Anasori, Ph.D., en forskarassistent vid Drexels avdelning för materialvetenskap och teknik och medförfattare till MXene-bläckforskningen.

"För de flesta andra nanobläck, en tillsats krävs för att hålla ihop partiklarna och möjliggöra utskrifter av hög kvalitet. På grund av detta, efter tryckning, ett ytterligare steg krävs - vanligtvis en termisk eller kemisk behandling - för att ta bort den tillsatsen, " sa Anasori. "För MXene-utskrift, vi använder endast MXene i vatten eller MXene i en organisk lösning för att göra bläcket. Det betyder att den kan torka utan några ytterligare steg."

MXener är en typ av kolbaserade, tvådimensionella skiktade material, skapad på Drexel 2011, som har den unika förmågan att blandas med vätskor, som vatten och andra organiska lösningsmedel, samtidigt som de behåller sina ledande egenskaper. På grund av detta, Drexel-forskare har producerat och testat det i en mängd olika former, från ledande lera till en beläggning för elektromagnetisk störningsskärmning till en nästan osynlig trådlös antenn.

Att justera koncentrationen för att skapa bläck för användning i ett kommersiellt tryckeri var en fråga om tid och iteration. Koncentrationen av lösningsmedel och MXene i bläcket kan justeras för att passa olika typer av skrivare.

"Om vi ​​verkligen vill dra fördel av någon teknologi i stor skala och ha den redo för allmänt bruk, det måste bli väldigt enkelt och göras i ett steg, ", sa Anasori. "En bläckstråleskrivare finns i nästan alla hus, så vi visste om vi kunde göra rätt bläck, det skulle vara möjligt att vem som helst kunde tillverka framtida elektronik och apparater."

Som en del av studien, Drexel-teamet, arbetar med forskare vid Trinity College, som är experter på tryckning, testa MXene-bläcket i en serie utskrifter, inklusive en enkel krets, en mirco-superkondensator och lite text, på underlag från papper till plast till glas. Genom att göra så, de fann att de kunde skriva ut linjer med jämn tjocklek och att bläckets förmåga att passera en elektrisk ström varierade med dess tjocklek – båda viktiga faktorer vid tillverkning av elektronikkomponenter. Och utskrifterna behöll sin överlägsna elektriska ledningsförmåga, vilket är det högsta bland alla kolbaserade ledande bläck, inklusive kolnanorör och grafen.

Allt detta motsvarar en mycket mångsidig produkt för att göra de små komponenterna som presterar viktiga, men ofta förbisedda funktioner i våra elektroniska enheter – jobb som att hålla strömmen på när batteriet tar slut, förhindrar skadliga elektriska överspänningar, eller påskynda laddningsprocessen. Att tillhandahålla ett material med högre prestanda och ett nytt sätt att bygga saker med det kan inte bara leda till förbättringar av våra nuvarande enheter, men också skapandet av helt ny teknik.

"Jämfört med konventionella tillverkningsprotokoll, tekniker för direkt bläcktryck, såsom bläckstråleutskrift och extruderingstryck, tillåt digital och additiv mönstring, anpassning, minskning av materialavfall, skalbarhet och snabb produktion, " sa Anasori. "Nu när vi har producerat ett MXene-bläck som kan appliceras med den här tekniken, vi tittar på en värld av nya möjligheter att använda den."