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Nature Communications volume 13, número do artigo: 3223 (2022) Citar este artigo

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A eletrônica impressa flexível suportada por tecnologias sem fio é crucial para a Internet das Coisas (IoTs), a interação homem-máquina, aplicações vestíveis e biomédicas. No entanto, os desafios às abordagens de impressão existentes permanecem, tais como baixa precisão de impressão, dificuldade na impressão conforme, formulações e processos complexos de tinta. Aqui apresentamos uma estratégia de impressão direta em temperatura ambiente para eletrônicos sem fio flexíveis, onde módulos funcionais distintos de alto desempenho (por exemplo, antenas, micro-supercapacitores e sensores) podem ser fabricados com alta resolução e posteriormente integrados em vários substratos planos/curvos. As tintas aquosas MXene sem aditivos de carboneto de titânio (Ti3C2Tx) são reguladas com grande proporção de camada única (>90%) e distribuição estreita de tamanho de flocos, oferecendo condutividade metálica (~6.900 S cm-1) nas faixas impressas ultrafinas (intervalo de linha de 3 μm e uniformidade espacial de 0,43%) sem recozimento. Em particular, construímos um sistema integrado totalmente impresso em MXene, capaz de comunicação sem fio, coleta de energia e detecção inteligente. Este trabalho abre uma porta para a fabricação aditiva de alta precisão de eletrônicos sem fio impressos em temperatura ambiente.

Os avanços na eletrônica impressa estimulam continuamente a fabricação escalonável e sustentável de dispositivos vestíveis e flexíveis1,2,3. Ao contrário dos processos subtrativos tradicionais, a impressão direta com tinta oferece uma alternativa viável para a fabricação rápida e em grande escala devido aos seus procedimentos relativamente fáceis e econômicos, além da desejável compatibilidade e utilização de materiais4,5. No entanto, no que diz respeito à fabricação de eletrônicos flexíveis à temperatura ambiente, as abordagens de impressão existentes ainda estão longe do ideal. O principal obstáculo vem das formulações de tintas e dos processos de impressão. A maioria das tintas imprimíveis (à base de metal ou carbono) sofre de formulações de tinta complexas (exigindo surfactantes/modificadores reológicos/aglutinantes), propriedades físicas intrínsecas insatisfatórias (ou seja, baixa condutividade elétrica) ou exigem pós-tratamentos demorados (ou seja, alta temperatura recozimento para remover aditivos)6,7. Esses problemas complicam o processo de fabricação do dispositivo, excluem as opções de substrato polimérico de baixo custo e comprometem a precisão da impressão do dispositivo e, posteriormente, as propriedades. Por outro lado, a crescente complexidade estrutural da electrónica flexível (especialmente vários sistemas multifuncionais sem fios) impõe requisitos mais elevados às tecnologias de impressão directa com tinta, particularmente à impressão conformal de alta precisão e ao fabrico integrado de múltiplos módulos para evitar transferências e processos demorados e complicados. processos de montagem8,9.

Uma abordagem promissora é combinar tintas condutoras aquosas sem aditivos com tecnologia de impressão por extrusão. Em comparação com outros métodos de impressão, a impressão por extrusão permite a fabricação aditiva de alto rendimento sem máscaras e acessórios adicionais, oferecendo maiores oportunidades na escolha de material/substrato e extensibilidade de impressão (de coplanar a tridimensional)10,11. No entanto, embora as tintas condutoras aquosas sem aditivos tenham se mostrado promissoras na simplificação da formulação de tintas e na eliminação do pós-processamento, continua sendo um desafio dotar tintas funcionais com propriedades reológicas e elétricas apropriadas para alcançar a fabricação à temperatura ambiente de eletrônicos sem fio flexíveis . Nesse sentido, como uma família emergente de carbonetos e nitretos de metais de transição 2D, os MXenes, que possuem propriedades únicas desejáveis para tintas funcionais (ou seja, condutividade metálica, hidrofilicidade e cargas superficiais negativas), oferecem novas possibilidades . Especialmente, Ti3C2Tx (Tx denota terminações de superfície), como o MXene mais amplamente estudado, permite a formação controlável de dispersões coloidais aquosas estáveis, livres de aditivos e sem quaisquer aditivos e, portanto, tem sido aplicado em diferentes dispositivos, como baterias, micro-supercapacitores ( MSCs), nanogeradores triboelétricos (TENGs), transistores, sensores, etc.18,19,20,21. No entanto, quando se trata de fabricar eletrônicos sem fio flexíveis, pouco sucesso foi alcançado em temperatura ambiente e precisão de impressão fina de linhas de componentes com condutividade elétrica ultra-alta com base em tintas MXene. Além disso, o protocolo viável de impressão integrada de múltiplos módulos para dispositivos sem fio totalmente impressos raramente foi relatado até agora.

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>