石墨烯包裹液滴用于印刷微芯片、可穿戴传感器

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UNIVERSITY OF SUSSEX

石墨烯和其他二维材料在可打印电子领域提供了诱人的前景。这种吸引力的一部分在于石墨烯具有比现有电子材料更易于溶液处理的先天优势。石墨烯和其他2D材料通常可以提供更大的灵活性，允许它们沉积在纺织品上，从而实现可穿戴电子产品。

虽然石墨烯（和其他2D材料）的溶解性和灵活性为新兴的可打印电子产品领域打开了一些大门，但对于那些希望将其用于功能性油墨的人来说，挑战依然存在。其中一个最难克服的是“咖啡环（coffee-ring）”效应，它是所有可打印的电子墨水。咖啡环效应描述了墨水颗粒倾向于流向蒸发率最高的液滴边缘，并最终在干燥时沉积在液滴边缘的现象，就像咖啡杯留下的痕迹（因此得名）。

英国萨塞克斯大学的研究人员提出了解决这个问题的方法。在观察沙拉酱的混合时，他们得到了解决方案的灵感。他们意识到在液体乳剂中添加石墨烯可能是有意义的。

乳化液是两种液体的混合物，通常不会像油和水那样混合。当然，也有一些传统的乳液是由一些两亲性（不太疏水，也不太亲水）物质稳定的不可混合液体的混合物。化学家可能已经知道，这些两亲性稳定剂通常是一种表面活性剂——一种具有疏水端和亲水端的小分子，例如洗涤剂中的那种。

这种表面活性剂稳定乳液的问题在于，一旦所有物质混合在一起，产生的液体通常不会保留最初加入乳液的物质的所有功能特性。

例如，当研究人员用氧化石墨烯制备表面活性剂稳定的乳液时，得到的材料没有保留其吸引人的功能特性，例如互连和传感所需的导电性。

在这项最新的研究中，萨塞克斯的研究人员成功地用几层石墨烯和二硫化钼（MoS2）的原子薄膜稳定了乳液，并打造了即使在液体状态下也具有导电性的乳液。

“这些原子薄膜也被困在油水界面，所以当沉积一个液滴时，薄而密的填充膜被限制，直到液滴坍塌到衬底上，并且膜被转移，而没有通常的挑战性的分散油墨的干燥动力学，如咖啡环效应，” 萨塞克斯大学的研究员Sean Ogilvie如此表示，他也是这项研究的主要作者，“我们正在设想沉积单液滴（如通过喷墨）以根据需要组装石墨烯、MoS2、氮化硼和其他2D材料制成的薄膜器件。”

该团队的新方法有望大大简化通常需要高度配方的功能性油墨的生产。相比之下，这些新乳液不含额外添加剂。

Ogilvie指出，他的团队开发的乳液不仅适用于单层喷墨打印电子产品，还适用于通过附加制造技术实现更复杂的3D结构。他说，该团队开发了一种分散、乳化、组装网络、沉积、理解和测量表面能的过程，甚至可以制备弹性复合传感器。

“这项技术适用于液态和固化弹性体固体的3D结构，” Ogilvie说，“这可以扩展到具有正确乳液组成和设计的添加剂制造。”

虽然使用该技术开发的最初设备是弹性复合传感器，但研究人员希望将其应用于电池技术。研究人员认为，他们可以用石墨烯乳液封装电池的电极材料。

Ogilvie说：“我们相信，该乳液可以帮助控制电池的结构和性能，因为锂离子电极需要一种机制，在电极材料发生显著膨胀的循环过程中保持结构、导电性和完整性。”

除了电池之外，研究人员相信，这种对结构的控制在许多应用中可能被证明是有用的，例如用于热管理的相变材料和用于光电子的电荷转移接口。

研究人员在最近一期的ACS Nano杂志上发表了他们的发现。