Onderzoekers van de Drexel University en Trinity College in Ierland, hebben inkt voor een inkjetprinter gemaakt van een sterk geleidend type tweedimensionaal materiaal genaamd MXene. recente bevindingen, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , suggereren dat de inkt kan worden gebruikt om flexibele energieopslagcomponenten te printen, zoals supercondensatoren, in elke maat of vorm.

Geleidende inkten bestaan ​​al bijna tien jaar en vertegenwoordigen een markt van meerdere honderden miljoenen dollars die naar verwachting in het volgende decennium snel zal groeien. Het wordt al gebruikt om de radiofrequentie-identificatietags te maken die worden gebruikt in toltransponders voor snelwegen, printplaten in draagbare elektronica en lijnen autoruiten als ingebouwde radioantennes en om ontdooien te vergemakkelijken. Maar om de technologie breder te laten gebruiken, Geleidende inkten moeten geleidend worden en gemakkelijker op een reeks oppervlakken kunnen worden aangebracht.

Joeri Gogotsi, doctoraat, Distinguished University en Bach professor aan Drexel's College of Engineering, Afdeling Materials Science and Engineering, die de toepassingen van nieuwe materialen in technologie bestudeert, suggereert dat de inkt die is gemaakt in Drexel's Nanomaterials Institute een aanzienlijke vooruitgang is op beide fronten.

"Tot nu toe is er slechts beperkt succes geboekt met geleidende inkten bij zowel afdrukken met een hoge resolutie als bij opslagapparaten met een hoge lading, "Zei Gogotsi. "Maar onze bevindingen tonen aan dat all-MXene micro-supercondensatoren bedrukt, gemaakt met een geavanceerde inkjetprinter, zijn een orde van grootte groter dan bestaande apparaten voor energieopslag gemaakt van andere geleidende inkten."

Terwijl onderzoekers gestaag manieren bedenken om inkt te maken van nieuwe, meer geleidende materialen, zoals nanodeeltjes zilver, grafeen en gallium, de uitdaging blijft om ze naadloos op te nemen in productieprocessen. De meeste van deze inkten kunnen niet in één stap worden gebruikt, volgens Babak Anasori, doctoraat, een onderzoeksassistent-professor bij Drexel's afdeling Materials Science and Engineering en co-auteur van het MXene-inktonderzoek.

"Voor de meeste andere nano-inkten er is een additief nodig om de deeltjes bij elkaar te houden en printen van hoge kwaliteit mogelijk te maken. Daarom, na het afdrukken, er is een extra stap vereist - meestal een thermische of chemische behandeling - om dat additief te verwijderen, "Zei Anasori. "Voor MXene-afdrukken, we gebruiken alleen MXene in water of MXene in een organische oplossing om de inkt te maken. Dit betekent dat het kan drogen zonder extra stappen."

MXenen zijn een soort op koolstof gebaseerde, tweedimensionale gelaagde materialen, gemaakt bij Drexel in 2011, die het unieke vermogen hebben om te mengen met vloeistoffen, zoals water en andere organische oplosmiddelen, met behoud van hun geleidende eigenschappen. Daarom, Drexel-onderzoekers hebben het in verschillende vormen geproduceerd en getest, van geleidende klei tot een coating voor afscherming van elektromagnetische interferentie tot een bijna onzichtbare draadloze antenne.

Het aanpassen van de concentratie om inkt te maken voor gebruik in een commerciële drukkerij was een kwestie van tijd en herhaling. De oplosmiddel- en MXene-concentratie in de inkt kan worden aangepast aan verschillende soorten printers.

"Als we echt op grote schaal willen profiteren van technologie en deze klaar hebben voor openbaar gebruik, het moet heel eenvoudig en in één stap worden gedaan, "Zei Anasori. "In zowat elk huis is een inkjetprinter te vinden, dus we wisten of we de juiste inkt konden maken, het zou mogelijk zijn dat iedereen toekomstige elektronica en apparaten zou kunnen maken."

Als onderdeel van de studie, het Drexel-team, werken met onderzoekers van het Trinity College, die experts zijn in printen, de MXene-inkt op de proef stellen in een reeks afdrukken, inclusief een eenvoudige schakeling, een micro-supercondensator en wat tekst, op substraten variërend van papier tot plastic tot glas. Daarbij, ze ontdekten dat ze lijnen van consistente dikte konden printen en dat het vermogen van de inkt om een ​​elektrische stroom door te laten varieerde met de dikte ervan - beide belangrijke factoren bij het vervaardigen van elektronische componenten. En de afdrukken behielden hun superieure elektrische geleidbaarheid, die de hoogste is van alle geleidende inkten op koolstofbasis, waaronder koolstofnanobuizen en grafeen.

Dit alles komt neer op een zeer veelzijdig product voor het maken van de kleine componenten die belangrijk presteren, maar vaak over het hoofd gezien functies in onze elektronische apparaten - taken zoals het aanhouden van de stroom wanneer de batterij leeg is, het voorkomen van schadelijke stroompieken, of het laadproces versnellen. Het aanbieden van beter presterend materiaal en een nieuwe manier om er dingen mee te bouwen, zou niet alleen kunnen leiden tot verbeteringen aan onze huidige apparaten, maar ook de creatie van geheel nieuwe technologieën.

"Vergeleken met conventionele productieprotocollen, directe inktdruktechnieken, zoals inkjetdruk en extrusiedruk, digitale en additieve patronen toestaan, maatwerk, vermindering van materiaalafval, schaalbaarheid en snelle productie, Anasori zei. "Nu we een MXene-inkt hebben geproduceerd die via deze techniek kan worden aangebracht, we kijken naar een wereld van nieuwe mogelijkheden om het te gebruiken."