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麻省理工趙選賀等人Nature子刊:高性能3D打印導(dǎo)電聚合物

星之球科技 來(lái)源:材料科學(xué)與工程2020-04-07 我要評(píng)論(0 )   

本文提出了一種高性能3D可打印的導(dǎo)電聚合物墨水,能夠在干燥狀態(tài)和水凝膠狀態(tài)下快速靈活地制造高導(dǎo)電性的微米級(jí)結(jié)構(gòu)和器件,而且可以與其他3D可打印材料完美地集成到先...

本文提出了一種高性能3D可打印的導(dǎo)電聚合物墨水,能夠在干燥狀態(tài)和水凝膠狀態(tài)下快速靈活地制造高導(dǎo)電性的微米級(jí)結(jié)構(gòu)和器件,而且可以與其他3D可打印材料完美地集成到先進(jìn)的多材料3D打印過(guò)程中,為基于導(dǎo)電聚合物的柔性電子產(chǎn)品,可穿戴設(shè)備和生物電子學(xué)提供了一種有前途的制造策略。

導(dǎo)電聚合物在儲(chǔ)能、柔性電子和生物電子學(xué)等各種領(lǐng)域中都是很有前途的候選材料。然而,導(dǎo)電聚合物的制備大多依賴于傳統(tǒng)的方法,如噴墨印刷、絲網(wǎng)印刷和光刻技術(shù)等,其局限性阻礙了導(dǎo)電聚合物的快速創(chuàng)新和廣泛應(yīng)用。


近日,美國(guó)麻省理工學(xué)院趙選賀教授(通訊作者)介紹了一種基于聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)的高性能3D可打印導(dǎo)電聚合物墨水,用于3D打印導(dǎo)電聚合物的制備。由此產(chǎn)生的導(dǎo)電聚合物具有高分辨率和高縱橫比結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),且可以通過(guò)與其他3D打印材料集成實(shí)現(xiàn)多材料的打印技術(shù)。相關(guān)論文以題為“3D printing of conducting polymers”于2020年3月30日發(fā)表在Nature Commun上。


論文鏈接


https://www.nature.com/articles/s41467-020-15316-7

導(dǎo)電聚合物是一類(lèi)本身具有導(dǎo)電性質(zhì)的聚合物,由于其獨(dú)特的聚合性質(zhì)以及良好的電學(xué)和力學(xué)性能、穩(wěn)定性和生物相容性,已成為在儲(chǔ)能、柔性電子學(xué)和生物電子學(xué)等領(lǐng)域中最有前途的材料之一。盡管近年來(lái)在導(dǎo)電聚合物及其應(yīng)用方面取得了進(jìn)展,但導(dǎo)電聚合物結(jié)構(gòu)和器件的制造大多依賴于傳統(tǒng)的制造技術(shù),如噴墨印刷、絲網(wǎng)印刷、氣溶膠印刷、電化學(xué)圖案化和光刻技術(shù)等,具有很大局限性和挑戰(zhàn)性。例如,這些現(xiàn)有的導(dǎo)電聚合物制造技術(shù)僅限于低分辨率(超過(guò)100m)、二維(例如低縱橫比)模式以及過(guò)程復(fù)雜,成本較高,大大阻礙了導(dǎo)電聚合物的快速創(chuàng)新和廣泛應(yīng)用。


鑒于此,使用與傳統(tǒng)的方法不同的3D打印技術(shù),能夠提供一種可編程、簡(jiǎn)單和靈活的方式制備微米尺度結(jié)構(gòu)的能力,從而以更加靈活的方式制備3D空間。例如,最近在3D打印中的最新發(fā)展,如:金屬,液態(tài)金屬,水凝膠,生物墨水,玻璃,其大大擴(kuò)展了3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍。雖然在導(dǎo)電聚合物的3D打印方面已經(jīng)做出了大量的努力,但由于現(xiàn)有的導(dǎo)電聚合物墨水的可打印性不足,僅實(shí)現(xiàn)了單一纖維這樣的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。


因此,在本文中,作者使用了一種基于最廣泛使用的導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS發(fā)明了一種高性能3D可打印墨水,以利用先進(jìn)的3D打印技術(shù)來(lái)制造導(dǎo)電聚合物。同時(shí)為了獲得良好的3D打印流變性能, 作者開(kāi)發(fā)了一種基于PEDOT:PSS水溶液低溫冷凍的糊狀導(dǎo)電聚合物墨水,然后在水和二甲基亞砜(DMSO)混合物中進(jìn)行冷凍和干燥可控的再分散。由此合成的的導(dǎo)電聚合物墨水能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率(30m以上)、高寬比(20層以上)和高重復(fù)性的導(dǎo)電三維打印性能聚合物,也容易與其他三維可打印材料,如絕緣彈性體。


此外,3D打印的PEDOT:PSS結(jié)構(gòu)在干燥狀態(tài)下電導(dǎo)率超過(guò)155 S cm-1,隨后在潮濕環(huán)境中經(jīng)溶脹可快速轉(zhuǎn)變?yōu)镻EDOT:PSS水凝膠,其楊氏模量低于1.1 MPa,電導(dǎo)率高達(dá)28 S cm-1。最后,作者進(jìn)一步展示了通過(guò)多功能3D打印技術(shù),簡(jiǎn)便和快速地制造各種功能性導(dǎo)電聚合物器件的過(guò)程。


圖1. 3D打印導(dǎo)電聚合物墨水的設(shè)計(jì)。(a,b)可以通過(guò)冷凍干燥并使用溶劑重新分散,將原始PEDOT:PSS溶液(a)轉(zhuǎn)換為3D印刷導(dǎo)電聚合物墨水(b);(c)通過(guò)退火和隨后在潮濕環(huán)境中的溶脹,可以將3D打印的導(dǎo)電聚合物分別在干燥和水凝膠態(tài)轉(zhuǎn)化為純PEDOT:PSS;(d)原始PEDOT:PSS溶液的Cryo-TEM圖像;(e)3D可打印的導(dǎo)電聚合物墨水的Cryo-TEM圖像;(f)干燥退火的3D打印的導(dǎo)電聚合物的TEM圖像;(g-j)具有不同PEDOT:PSS納米纖維濃度的重新分散懸浮液的圖像;(k)導(dǎo)電聚合物墨水的SAXS表征;(l)粘度隨剪切速率的變化;(m)粘度隨PEDOT:PSS納米纖維濃度的變化而變化;(n)剪切儲(chǔ)存模量隨剪切應(yīng)力的變化;(o)導(dǎo)電聚合物墨水的剪切應(yīng)力與PEDOT:PSS納米纖維濃度的關(guān)系。


圖2.導(dǎo)電聚合物的3D打印。(a-d)三維導(dǎo)電聚合物網(wǎng)格SEM圖像;(e)通過(guò)導(dǎo)電聚合物墨水對(duì)20層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D打印的順序快照;(f)3D打印的退火后的導(dǎo)電聚合物網(wǎng)格;(g)3D打印的水凝膠狀導(dǎo)電聚合物;(h)通過(guò)導(dǎo)電聚合物墨水在高的高寬比結(jié)構(gòu)上進(jìn)行3D打印的順序快照;(i)具有水凝膠狀態(tài)懸垂特性的3D印刷導(dǎo)電聚合物結(jié)構(gòu)。


圖3.3D打印的導(dǎo)電聚合物的性能。(a)3D打印的導(dǎo)電聚合物的電導(dǎo)率與噴嘴直徑的關(guān)系;(b)在干燥(17 m)和水凝膠(78m)狀態(tài)下,3D打印的導(dǎo)電聚合物的電導(dǎo)率與彎曲半徑的關(guān)系;(c)在干燥(17 m)和水凝膠(78 m)狀態(tài)下,3D打印的導(dǎo)電聚合物的電導(dǎo)率與彎曲循環(huán)的關(guān)系;(d)由PIS基板上的3D打印導(dǎo)電聚合物(78m)的EIS圖譜;(e)Pt基板上3D打印的導(dǎo)電聚合物的CV曲線;(f)使用JKR模型擬合,以干燥和水凝膠狀態(tài)對(duì)3D打印的導(dǎo)電聚合物進(jìn)行納米壓痕表征。


圖4.導(dǎo)電聚合物器件的3D打印。(a)通過(guò)導(dǎo)電聚合物墨水3D打印的高密度柔性電子電路圖案的順序快照;(b)點(diǎn)亮3D打印的導(dǎo)電聚合物電路上的LED;(c)3D打印的導(dǎo)電聚合物電路彎曲而無(wú)故障;(d)帶有導(dǎo)電聚合物墨水和PDMS墨水的具有9通道的3D打印軟神經(jīng)探針的圖像;(e)放大的3D打印的軟神經(jīng)探針的圖像;(f)植入的3D打印的軟神經(jīng)探針和帶有植入探針的圖像;(g,h)3D打印的軟神經(jīng)探針在小鼠dHPC中的代表性生理記錄;(i)從(h)記錄的主要成分分析;(j)平均兩個(gè)單位的尖峰波形記錄隨著時(shí)間的推移,對(duì)應(yīng)于(i)中的簇。


總而言之,本文提出了一種基于PEDOT:PSS的高性能3D可打印的導(dǎo)電聚合物墨水,能夠在干燥狀態(tài)和水凝膠狀態(tài)下快速靈活地制造高導(dǎo)電性的微米級(jí)結(jié)構(gòu)和器件。而且導(dǎo)電聚合物墨水具有出色的3D可打印性,并且可以與其他3D可打印材料完美地集成到先進(jìn)的多材料3D打印過(guò)程中。借助此功能,能夠進(jìn)一步以便捷,快速且簡(jiǎn)化的方式演示了基于3D打印的高密度柔性電子電路和軟神經(jīng)探針的制造。這項(xiàng)工作不僅解決了導(dǎo)電聚合物3D打印中的現(xiàn)有挑戰(zhàn),而且為基于導(dǎo)電聚合物的柔性電子產(chǎn)品,可穿戴設(shè)備和生物電子學(xué)提供了一種有前途的制造策略。


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