創造明天的技術——石墨烯噴墨3D打印

諾丁漢大學破解了一個難題，即使用墨水來3D打印出新型的電子設備，此電子設備具備將光轉換成電能的能力。

研究表明，含有二維材料的微小薄片，如石墨烯的噴射油墨可以建立這些復雜的、定制的結構的不同層，并將它們拼接在一起。

利用量子力學模型，研究人員還精確地指出了電子是如何穿過二維材料層的，以便完全理解突破性設備在未來怎樣被改造。

論文的合著者、物理和天文學學院院長馬克·弗洛霍爾德教授說：“通過將量子物理的基本概念與最先進的工程結合起來，我們已經展示了如何通過打印幾層只有幾個原子厚但厘米寬的材料來制造控制電和光的復雜裝置”。

“根據量子力學定律，電子運動是波而不是粒子，我們發現二維材料中的電子沿著多個薄片的復雜軌跡移動，似乎是電子從一個薄片跳到另一個薄片，就像青蛙在池塘表面重疊的百合花上跳躍一樣”。

石墨烯通常被稱為“超級材料”，于2004年首次問世。它展現出許多獨特的性能，如比鋼更堅固、高度柔韌性，是有史以來最好的導電體。

像石墨烯這樣的二維材料通常是由單層碳原子按順序剝落而成的，將它們排列在平板上，然后用來制造定制的結構。

然而，制造多層并將它們組合成復雜的像三明治狀的材料一直很困難，通常需要手工一層一層的疊加。

自二維材料被發現以來，涉及的專利數量呈指數級增長，包括石墨烯。然而，為了充分發揮其潛力，需要開發可擴展的制造技術。

這篇新論文表明，使用油墨的添加劑制造(通常稱為3D打印)提供了一種有前景的解決方案，油墨中懸浮著微小的、只有十億分之一米寬的石墨烯薄片。

通過將先進的制造技術與精密的性能測量方法和量子波建模相結合，該團隊精確地找出了噴墨打印石墨烯成功取代單層石墨烯作為二維金屬半導體接觸材料的方法。

合著者、添加劑制造中心柳德米拉·圖里揚斯卡博士說：“雖然以前已經用3D打印技術打印過2D層和設備，但這是首次發現電子是如何穿過它們的，并展示了組合打印層的潛在用途”?！拔覀兊难芯拷Y果可以為噴墨打印的石墨烯-聚合物復合材料和其他一系列二維材料帶來不同的應用，可用于制造新一代的功能性光電器件如大型高效太陽能電池，通過陽光或佩戴者的運動驅動的可穿戴的、柔性的電子產品，甚至可能是印刷電腦”。

這項研究是由添加劑制造中心的工程師和對量子技術有共同興趣的物理和天文學院的物理學家在EPSRC 585萬英鎊的項目資助下進行的，使下一代添加劑制造成為可能。

研究人員使用了多種表征技術，包括顯微拉曼光譜（激光掃描）、熱重力分析、新型3D orbiSIMS儀器和電學測量，以提供噴墨打印石墨烯聚合物的詳細結構和功能了解及熱處理(退火)對性能的影響。

研究的下一步是通過使用聚合物來影響薄片排列和排列方式以更好地控制薄片的沉積，并嘗試不同的薄片和不同的油墨。研究人員還希望開發出更復雜的計算機模擬材料和它們一起工作的方法，并開發出量產的設備原型。