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Nature Communications volumen 13, número de artículo: 3223 (2022) Citar este artículo
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La electrónica flexible impresa respaldada por tecnologías inalámbricas es crucial para la Internet de las cosas (IoT), la interacción hombre-máquina y las aplicaciones biomédicas y portátiles. Sin embargo, persisten los desafíos a los enfoques de impresión existentes, como la baja precisión de la impresión, la dificultad en la impresión conforme y las formulaciones y procesos de tinta complejos. Aquí presentamos una estrategia de impresión directa a temperatura ambiente para electrónica inalámbrica flexible, donde se pueden fabricar distintos módulos funcionales de alto rendimiento (por ejemplo, antenas, microsupercondensadores y sensores) con alta resolución e integrarlos aún más en varios sustratos planos/curvos. Las tintas acuosas MXene de carburo de titanio (Ti3C2Tx) sin aditivos están reguladas con una gran relación de capa única (>90%) y una distribución estrecha del tamaño de las escamas, lo que ofrece conductividad metálica (~6, 900 S cm−1) en las pistas impresas ultrafinas. (espacio entre líneas de 3 μm y uniformidad espacial del 0,43%) sin recocido. En particular, construimos un sistema integrado totalmente impreso con MXene capaz de comunicación inalámbrica, recolección de energía y detección inteligente. Este trabajo abre una puerta a la fabricación aditiva de alta precisión de productos electrónicos inalámbricos impresos a temperatura ambiente.
Los avances en la electrónica impresa estimulan continuamente la fabricación escalable y sostenible de dispositivos portátiles y flexibles1,2,3. A diferencia de los procesos sustractivos tradicionales, la impresión directa con tinta ofrece una alternativa viable para una fabricación rápida y a gran escala debido a sus procedimientos relativamente sencillos y rentables y a su deseable compatibilidad y utilización de materiales4,5. Sin embargo, en lo que respecta a la fabricación de componentes electrónicos flexibles a temperatura ambiente, los métodos de impresión existentes aún están lejos de ser ideales. El mayor obstáculo proviene de las formulaciones de tinta y los procesos de impresión. La mayoría de las tintas imprimibles (a base de metal o carbono) adolecen de formulaciones de tinta complejas (que requieren tensioactivos/modificadores reológicos/aglutinantes), propiedades físicas intrínsecas insatisfactorias (es decir, mala conductividad eléctrica) o exigen postratamientos prolongados (es decir, altas temperaturas). recocido para eliminar aditivos)6,7. Estos problemas complican el proceso de fabricación del dispositivo, excluyen las opciones de sustratos poliméricos de bajo costo y comprometen la precisión de impresión del dispositivo y las propiedades posteriores. Por otro lado, la creciente complejidad estructural de la electrónica flexible (especialmente varios sistemas multifuncionales inalámbricos) impone requisitos más altos para las tecnologías de impresión con tinta directa, en particular la impresión conformada de alta precisión y la fabricación integrada de múltiples módulos para evitar transferencias y transferencias engorrosas y que consumen mucho tiempo. procesos de montaje8,9.
Un enfoque prometedor es combinar tintas conductoras acuosas sin aditivos con tecnología de impresión por extrusión. En comparación con otros métodos de impresión, la impresión por extrusión permite la fabricación aditiva de alto rendimiento sin máscaras ni accesorios adicionales, lo que ofrece mayores oportunidades en la elección de material/sustrato y la extensibilidad de la impresión (de coplanar a tridimensional)10,11. No obstante, si bien las tintas conductoras acuosas sin aditivos han demostrado ser prometedoras para simplificar la formulación de la tinta y eliminar el posprocesamiento, sigue siendo un desafío dotar a las tintas funcionales de propiedades reológicas y eléctricas apropiadas para lograr la fabricación a temperatura ambiente de componentes electrónicos inalámbricos flexibles12,13. En este sentido, como familia emergente de carburos y nitruros de metales de transición 2D, los MXenes, que poseen propiedades únicas deseables para tintas funcionales (es decir, conductividad metálica, hidrofilicidad y cargas superficiales negativas), ofrecen nuevas posibilidades14,15. Especialmente, Ti3C2Tx (Tx denota terminaciones superficiales), como el MXene más estudiado, permite la formación controlable de dispersiones coloidales acuosas estables sin aditivos y sin aditivos16,17 y, por lo tanto, se ha aplicado en diferentes dispositivos, como baterías, microsupercondensadores ( MSC), nanogeneradores triboeléctricos (TENG), transistores, sensores, etc.18,19,20,21. Sin embargo, cuando se trata de fabricar electrónica inalámbrica flexible, se ha logrado poco éxito en la precisión de impresión fina a temperatura ambiente de líneas de componentes con conductividad eléctrica ultraalta basadas en tintas MXene. Además, hasta ahora rara vez se ha informado sobre un protocolo factible de impresión integrada de múltiples módulos para dispositivos inalámbricos totalmente impresos.
En este artículo, informamos sobre la realización de la impresión directa de dispositivos electrónicos inalámbricos flexibles a temperatura ambiente. Las tintas acuosas MXene sin aditivos poseen propiedades reológicas y eléctricas deseables, derivadas de una gran proporción de una sola capa, una alta concentración de tinta y una estrecha distribución del tamaño de las escamas, para lograr una conductividad metálica en la impresión por extrusión de alta precisión, permitiendo así la fabricación eficiente de tintas monolíticas flexibles. sistemas para recolección de energía, comunicación inalámbrica y detección. La demostración completa de la electrónica funcional totalmente MXene revela poderosamente el enorme potencial de la impresión MXene directa a temperatura ambiente para la fabricación integrada a gran escala de electrónica inalámbrica flexible y portátil de próxima generación.
Comenzamos a describir la formulación y caracterizaciones de la tinta MXene. La Figura 1a presenta esquemáticamente la estrategia de impresión a temperatura ambiente para dispositivos electrónicos inalámbricos flexibles. Las tintas acuosas MXene sin aditivos se preparan siguiendo una ruta de delaminación de capas mínimamente intensiva modificada, utilizando métodos ultrasónicos y de centrifugación optimizados para mejorar las propiedades reológicas y eléctricas (Figura 1 complementaria). Las tintas formuladas, con una alta concentración (~60 mg mL-1), contienen escamas de Ti3C2Tx ultrafinas, predominantemente de una sola capa, con una disposición atómica hexagonal (Fig. 1b y recuadro), lo que concuerda bien con informes anteriores21,22. Esas nanohojas de Ti3C2Tx de una sola capa poseen un tamaño de escama promedio de ~1,6 μm y un espesor de ~1,5 nm (Fig. 1c y Fig. complementaria 2). Debido a la alta concentración de tinta, la gran proporción de capa única (>90 %) y la estrecha distribución del tamaño de las escamas, las tintas formuladas presentan propiedades viscoelásticas de adelgazamiento deseables (viscosidad de ~2,5 × 102 Pa·s) que permiten una extrusión continua y solidificación rápida (Fig. 1d, e) 23. La Figura complementaria 3 proporciona más detalles sobre las características reológicas de la tinta. En particular, estas tintas acuosas son estables sin sedimentación cuando se almacenan en botellas selladas con Ar en la oscuridad y a baja temperatura (<4 °C) durante al menos dos años, lo que garantiza un período de tiempo suficiente para una posible impresión con tinta. Después de eliminar el oxígeno disuelto, estas tintas acuosas también son estables durante largos períodos de tiempo en condiciones ambientales (Figura complementaria 4). Además, la humectabilidad de la tinta en los sustratos mejora mediante tratamientos con plasma para formar películas continuas y mejorar la adhesión del sustrato (consulte más detalles en las figuras complementarias 5 a 7) 24,25.
a Ilustración esquemática de la impresión directa a temperatura ambiente de tintas acuosas MXene sin aditivos soportadas sobre diversos sustratos para electrónica inalámbrica flexible, como sensores, MSC, antenas, etc. b Imagen de microscopía electrónica de transmisión (TEM) de nanohojas de Ti3C2Tx. Barra de escala: 200 nm. Recuadro: el patrón de difracción de electrones del área seleccionada (SAED). Barra de escala: 5 1/nm. c Imagen de microscopía de fuerza atómica (AFM) de tintas MXene y perfiles de altura correspondientes. d Propiedades reológicas de las tintas acuosas MXene con viscosidad representada en función de la velocidad de corte (arriba) y el tiempo de corte del intervalo (abajo, alternando la velocidad de corte entre 0,1 s-1 y 100 s-1 para simular el proceso de extrusión). e Módulo de almacenamiento (G′) y módulo de pérdida (G″) de tintas acuosas MXene versus tensión de corte.
La impresión directa a temperatura ambiente se realizó mediante un dispensador de extrusión neumático de tres ejes programable (Fig. 2a y Fig. complementaria 8). A través de la predefinición digital con ancho y espacio de línea específicos, se pueden imprimir de manera eficiente diversos patrones/circuitos en superficies planas o curvas con geometrías irregulares (como hojas y frutos, Fig. 2b, Fig. complementaria 9 y Película 1). Por ejemplo, se pueden imprimir directamente líneas MXene uniformes con espacios de línea precisos que varían de 3 a 30 μm (Fig. 2c, d y Fig. complementaria 10), lo que demuestra la versatilidad de la impresión directa de pistas/circuitos conductores finos. Vale la pena mencionar que aún se ha informado de una separación de línea de 3 μm para estrategias de impresión directa (Tabla complementaria 1), lo que revela el enorme potencial en la fabricación de productos electrónicos de alta resolución y alta densidad de empaquetado8. Además, se pueden imprimir líneas con diferentes anchos con una uniformidad espacial ultraalta del 0,43% (Fig. 2e, f), como resultado de la cinética de evaporación del solvente y la humectabilidad del sustrato adecuadas. Medidas con un perfilómetro óptico (Figura 11 complementaria), estas líneas MXene exhiben formas nítidas de sección transversal elíptica, beneficiadas por las propiedades reológicas apropiadas de la tinta con alta G ′, lo que permite que los filamentos extruidos mantengan la forma sólida sin extenderse. Cuando se utilizan agujas más pequeñas, el ancho de la línea impresa se puede reducir aún más a 120 μm (Figura complementaria 12). Los espectros Raman casi idénticos de líneas de dos años soportadas sobre diferentes sustratos populares de bajo costo (Fig. 2g y Figs. 13 y 14 complementarias) sugieren que (1) los MXenes prístinos se han conservado bien a lo largo o después de la extrusión, y (2) la estrategia de impresión directa de la electrónica basada en MXene es universal y compatible con las tecnologías de película delgada existentes.
a Imagen óptica de circuitos integrados de alta resolución fabricados mediante impresión directa MXene. Barra de escala, 10 mm. Inserto: el circuito MXene doblado. b MXene imprimió los logotipos “ZJU” y “EMPA” en superficies curvas. Barra de escala, 20 mm. c Imagen SEM de líneas MXene impresas periódicamente con un espacio de 30 µm. Barra de escala, 500 µm. Recuadro: espacio entre líneas de 30 µm. d Imágenes SEM de líneas MXene con diferentes espacios de 3 µm a 25 µm. Barra de escala, 50 µm. e Imagen SEM de las líneas MXene de diferentes anchos. Barra de escala, 500 µm. f Distribución de ancho correspondiente (arriba) y variación (
Luego caracterizamos las películas impresas MXene. Debido a la alineación inducida por cizallamiento durante la extrusión, los caminos impresos se componen de nanohojas de Ti3C2Tx densamente apiladas e interconectadas (Fig. 2h y Fig. 15 complementaria), formando una red metálica robusta que permite un transporte de electrones libre y rápido (dominado por los procesos intrínsecos dentro de las escamas) 26, lo que permite una alta conductividad y flexibilidad mecánica (como lo demuestra la prueba de flexión cíclica, figura complementaria 16). La Figura 2i sugiere que el aumento de
Teniendo en cuenta que la alta concentración (c) y la conductividad eléctrica (σ) son indispensables para que las tintas imprimibles logren una impresión de alta eficiencia, utilizamos una figura clave de mérito (FoM = σc) para evaluar la eficiencia de la impresión como se recomendó anteriormente8,27. Un FoM más alto significa una velocidad de impresión más rápida con una conductividad más alta en un espesor de película determinado. Como se muestra en la Fig. 2k, la tinta MXene formulada alcanza un FoM récord de ~414 000 S cm-1 mg mL-1 (
En la era de la IoT, las antenas integradas de alto rendimiento son indispensables para la electrónica portátil y flexible28 debido a su capacidad de transmisión inalámbrica de datos y recolección de energía. La comunicación de campo cercano (NFC) es una tecnología inalámbrica de corto alcance que permite la transmisión simultánea de energía y datos entre dispositivos a través de un acoplamiento inductivo, ofreciendo una plataforma versátil para dispositivos electrónicos de detección en miniatura sin baterías29. Como tal, fabricamos la primera antena NFC totalmente impresa con MXene a temperatura ambiente con 70 mm de largo y 45 mm de ancho, haciendo referencia al tamaño estándar de las tarjetas de crédito (Fig. 3a, b y Fig. complementaria 18).
a Fabricación y mecanismo de etiquetas NFC MXene impresas que se comunican de forma inalámbrica con el teléfono inteligente y capturan su energía para encender el LED. b Fotografía de la etiqueta NFC flexible fabricada en PDMS. c Distribución de corriente superficial (Jsurf) de la antena NFC a 13,56 MHz. d Simulación de la resistencia de la antena NFC y del factor Q para diferentes espesores. e Imágenes ópticas de las etiquetas NFC curvas de pequeño tamaño y las correspondientes distribuciones de tensión (recuadro) de las antenas flexibles bajo flexión. f La fotografía muestra que la energía eléctrica transmitida a la antena MXene NFC desde un teléfono inteligente habilitado para NFC puede iluminar 168 luces LED paralelas. g Imágenes ópticas de dos etiquetas MXene NFC circulares (arriba) y cuadradas (abajo) de tamaño pequeño con los LED iluminados. h Dos ejemplos de aplicación de las etiquetas MXene NFC, tarjeta de acceso para cerraduras electrónicas estándar (izquierda) y etiqueta de identificación para información de la planta (derecha).
Para maximizar el factor de calidad Q, se simuló previamente la geometría de la bobina, como se resume en la Tabla complementaria 3. Como resultado, se seleccionaron como el número de vueltas de 5 bobinas, un ancho de línea de 2,5 mm y un espaciado entre bobinas de 0,5 mm. parámetros geométricos específicos, que cubren las necesidades de comunicación de la mayoría de los dispositivos comerciales habilitados para NFC30. La Figura 3c presenta la distribución de corriente superficial de la antena a 13,56 MHz. Cuando el grosor de la antena MXene está por debajo de la profundidad de la piel, la resistencia de la antena y el factor Q son ajustables (Fig. 3d). Las bobinas de antena MXene se pueden imprimir en diferentes sustratos funcionales, incluido el poli(alcohol vinílico) (PVA) biodegradable, sustratos de ferrita que protegen la antena de la interferencia metálica y otros nueve tipos diferentes de sustratos, con excelente robustez mecánica (Figuras complementarias 19). y 20 y Película 2). Las etiquetas MXene NFC encapsuladas tienen una vida útil comparable a la de las etiquetas comerciales. Curiosamente, para la etiqueta MXene NFC sin encapsulación, todavía funciona correctamente después de dos años de almacenamiento con baja humedad (Figura complementaria 21), atribuido a la capa de óxido superficial formada que protege la ruta conductora interna31. Además, también se fabricaron bobinas de antena MXene flexibles con tamaños más pequeños personalizados (Figuras complementarias 22a-d). Los resultados del análisis de elementos finitos (FEA) revelan que la tensión de la antena MXene se distribuye principalmente en la dirección axial de flexión durante la deformación (Fig. 3e). A lo largo de la flexión repetida (Figuras complementarias 22e-l), la etiqueta MXene mantiene su estructura integrada sin grietas, lo que indica que la estructura tipo sándwich protege la capa intermedia de MXene entre las películas de PDMS para que no alcance la tensión de fluencia.
Las antenas MXene NFC impresas muestran una accesibilidad estable a 13,56 MHz para varios equipos habilitados para NFC. La energía recolectada de forma inalámbrica desde un teléfono inteligente a través de la robusta antena MXene NFC puede encender cientos de LED (Fig. 3f y Película complementaria 3), lo que indica una excelente capacidad de transmisión de energía. La combinación de la propiedad de intercambio de datos sugiere su gran potencial para reemplazar los comerciales existentes y encontrar aplicaciones en los dispositivos de detección inalámbricos sin batería de próxima generación, como el reconocimiento de información crítica y la recolección de energía (Fig. 3g), la identificación electrónica portátil tarjetas y etiquetas flexibles de identificación de plantas (Fig. 3h y Película complementaria 4), por nombrar solo algunas.
Como otra tecnología básica de IoT inalámbrica, la identificación por radiofrecuencia (RFID) es prometedora para la detección inalámbrica de largo alcance debido a sus ventajas únicas de sin contacto, bajo consumo de energía, identificación rápida, etc.32. Como tal, demostramos las primeras etiquetas pasivas RFID flexibles impresas para detección inalámbrica de temperatura. Se eligió el dipolo plegado con bucle cerrado como diseño de antena RFID, que ofrece gran libertad para la optimización de la geometría y la adaptación de la impedancia del chip33. La Figura 4a presenta las antenas dipolo MXene en PET y PDMS, que revelan una alta precisión de impresión y una excelente flexibilidad mecánica. Para evaluar las propiedades de radiación de la antena, se midió el patrón de radiación de campo lejano en una cámara anecoica (Fig. 4b). La antena dipolo MXene exhibe un patrón de radiación omnidireccional deseable en el plano H y un patrón en forma de dipolo con valores de ganancia simétricos dependientes del ángulo en el plano E, como lo demuestran los resultados simulados y medidos (Fig. 4c y Fig. complementaria 23a). . La frecuencia resonante y la reflexión S11 de la antena dipolo se presentan en la figura complementaria 23b, y muestran una banda de frecuencia amplia con un pico cercano a los 920 MHz incluso después de 500 curvas. La alta densidad de corriente en la sección media de la antena es suficiente para satisfacer las demandas de energía del microchip (Figura complementaria 24).
a Imágenes ópticas de las antenas dipolo MXene con un tamaño de 15 mm × 86 mm en PET (arriba) y PDMS (abajo). Barra de escala, 10 mm. b Medición del patrón de radiación de la antena en la cámara anecoica. c Patrón de radiación 3D simulado de la antena dipolo MXene a 920 MHz. d Mecanismo esquemático de la etiqueta de temperatura RFID MXene con un lector RFID conectado a una computadora portátil. e Monitoreo local de la temperatura de la superficie de la hoja mediante cuatro etiquetas de temperatura RFID MXene montadas en la superficie de la hoja y la raíz de la planta (recuadro). f Etiquetas de temperatura RFID MXene como sensores portátiles para monitorear la temperatura de la superficie en la pulsera humana (recuadro), la frente y el pecho.
El mecanismo de funcionamiento del sistema de monitoreo de temperatura RFID MXene se ilustra en la Fig. 4d, que se basa en el acoplamiento de retrodispersión entre el lector y la etiqueta RFID34. Todo el sistema de lectura RFID es simple y fácil de operar (Figura complementaria 25). Como demostración, utilizamos este sistema para detectar la temperatura local en las plantas y el cuerpo humano, mostrando una alta consistencia y sensibilidad ante las variaciones de temperatura (Fig. 4e, f y Película complementaria 5). Teniendo en cuenta la enorme cantidad actual de etiquetas metálicas y el riesgo de desechos electrónicos, nuestra RFID MXene, ecológica y de bajo costo, representa una alternativa sostenible para la electrónica de radiofrecuencia35.
Basándonos en la excelente detección inalámbrica y las excelentes propiedades de transmisión de energía/datos, imprimimos directamente los componentes MXene mencionados anteriormente en PDMS a temperatura ambiente y los integramos con una placa de circuito impreso flexible (FPCB), formando un sistema integrado flexible (Fig. 5a y Figuras complementarias 26 y 27). El FPCB es un módulo de control conectado a tres módulos impresos (Figura 28 complementaria y Tabla 4), lo que permite la comunicación inalámbrica con teléfonos inteligentes para la detección de temperatura y humedad (T/H) y la transmisión de energía. La energía transmitida también se puede almacenar simultáneamente en el módulo MSC para alimentar los sensores una vez que se retira el teléfono inteligente. El principio de funcionamiento del sistema de detección inalámbrico integrado se demuestra en la Fig. 5b, que muestra las rutas de entrega de energía y adquisición de datos.
a Ilustración esquemática del sistema de detección inalámbrico integrado con tres módulos funcionales totalmente impresos con MXene. b Diagrama de bloques y principio de funcionamiento del sistema de detección integrado. c – e Curvas CV y GCD de la unidad MSC a diferentes velocidades de escaneo (c) y densidades de corriente (d) con capacitancia de área (C/A) calculada a partir de CV (arriba) y GCD (abajo) que se muestran en e. f Los gráficos de Ragone presentan la comparación de la energía del área y la densidad de potencia de este trabajo con otros sistemas MSC reportados. Se presenta más información comparativa en la Tabla complementaria 6. g Respuestas eléctricas dinámicas del sensor de temperatura MXene en el rango de 20 a 55 °C. h Respuestas de resistencia normalizadas al contacto y retirada de la palma. Recuadro: la respuesta eléctrica cambia bajo diferentes tiempos de contacto. i Cambios en la respuesta eléctrica del sensor de humedad MXene bajo diversas condiciones de humedad. j Curvas de recuperación y respuesta eléctrica dinámica cíclica medidas desde 20% RH hasta 80% RH. Inserto: el tiempo de respuesta.
Como tal, evaluamos las propiedades de almacenamiento de energía del módulo MXene MSC impreso directamente a temperatura ambiente. Un solo dispositivo MSC (espacio entre dedos interdigitados ~ 200 µm, figura complementaria 29a), con gel de PVA/H3PO4 como electrolito semisólido, exhibe un comportamiento de almacenamiento de carga capacitivo, como se ve en el voltamograma cíclico (CV) cuasi rectangular forma y curvas de carga-descarga galvanostática (GCD) cuasi lineales a diferentes velocidades (Fig. 5c, d). Las capacitancias de área obtenidas mediante CV y GCD son comparables (Fig. 5e), alcanzando hasta ~ 900 mF cm-2, lo que ha superado las de informes anteriores sobre MSC planas impresas (Fig. 29b complementaria y Tabla 5) 12. La Figura 5f compara los gráficos de Ragone de varios dispositivos MSC. La densidad de energía de área calculada y la densidad de potencia de nuestro MXene MSC son de hasta 9,7 µW h cm-2 y 1,875 mW cm-2, respectivamente, siendo órdenes de magnitud superiores a las de los MSC planos (Tabla complementaria 6). Al diseñar la configuración (serie/paralelo) de unidades MXene MSC impresas por extrusión, se puede realizar un módulo que satisfaga diferentes demandas de potencia/energía. Las caracterizaciones electroquímicas confirman además que se lograron una cinética de transferencia de carga rápida y ciclos satisfactorios (~90% después de 3000 ciclos) en el módulo MXene MSC impreso con 7 dentro de 3 V (Figuras complementarias 29c-g), que es capaz de alimentar la microrred y sistemas36, como LED o similares (Figura complementaria 29h).
Luego exploramos el rendimiento de detección de este sistema integrado (Figuras complementarias 30 y 31). Debido a su gran coeficiente de expansión térmica, el sustrato PDMS tiende a expandirse a medida que aumenta la temperatura, lo que resulta en el estiramiento de la red conductora MXene y la variación de la conductividad eléctrica correspondiente37. Como se muestra en la Fig. 5g, nuestro sensor de temperatura MXene muestra un comportamiento de coeficiente de temperatura positivo (sensibilidad de ~0.066% °C-1), con la capacidad de responder rápidamente a los cambios de temperatura (Fig. 5h y Fig. complementaria 32). Para el sensor de humedad, se utilizó una película delgada de MXene como capa sensora de humedad (Fig. 33 complementaria), ya que los MXenes muestran una variación eléctrica aguda al ampliar el espacio entre capas de las nanohojas cuando se exponen a condiciones húmedas 38 (Fig. 5i). Durante la prueba de humedad cíclica, se observó una variación de resistencia estable y repetible (tiempo de respuesta de ~ 25 s) (Fig. 5j). Como demostración funcional, la película complementaria 6 muestra el proceso de funcionamiento del sistema de detección integrado para el monitoreo inalámbrico del microambiente T/H de la planta. La rápida respuesta puede sugerir la aplicación prometedora de sistemas integrados totalmente impresos con MXene en la agricultura con sensores inteligentes.
Este es el primer intento de fabricar componentes electrónicos de detección inalámbricos totalmente impresos con MXene a temperatura ambiente, con un rendimiento preliminar prometedor en comportamientos de detección/transmisión de datos/energía junto con una excelente robustez mecánica. Creemos firmemente que todavía hay mucho margen para mejorar el rendimiento. En términos de las MSC, diversas estrategias, como optimizar el espacio y el espesor impresos, ajustar la química de la superficie y utilizar configuraciones asimétricas, son rutas prometedoras para mejorar aún más sus propiedades de almacenamiento de carga y sus densidades de energía/potencia8,12,22. En cuanto a las funciones de detección, el módulo T/H existente se puede optimizar aún más mediante el diseño estructural o la modificación de nanomateriales39. Teniendo en cuenta que la diversa familia MXene constaba de más de 30 miembros versátiles y aún se está expandiendo rápidamente, se puede habilitar una electrónica inalámbrica más avanzada basada en MXene eligiendo tintas MXene novedosas y/o las tecnologías inalámbricas/de impresión en auge40,41 o variando los dispositivos de almacenamiento de energía. (como baterías flexibles, células solares, TENG, etc.)42/módulos de detección (como sensores químicos, físicos y biológicos flexibles)43,44, etc.
En resumen, hemos informado por primera vez sobre la impresión de alta precisión a temperatura ambiente de dispositivos electrónicos inalámbricos flexibles utilizando tinta acuosa MXene sin aditivos. Las deseables propiedades reológicas y eléctricas de la tinta hacen que nuestras tintas MXene sean extremadamente adecuadas para la impresión por extrusión de alta precisión en diferentes sustratos planos/curvos sin recocido, exhibiendo conductividad metálica (hasta 6900 S cm−1), espacio entre líneas de impresión ultraestrecho (3 μm), y alta uniformidad espacial (dentro del 0,43%) en las pistas impresas. En particular, el espacio entre líneas impreso ultraestrecho representa la impresión directa de última generación utilizando nanomateriales a temperatura ambiente, lo que representa la impresión de alta eficiencia de componentes electrónicos de alta densidad de empaque. Con este enfoque, se pueden fabricar fácilmente distintos módulos de alto rendimiento de forma exclusiva o integrándolos con otros componentes eléctricos, lo que supone una gran promesa para sustituir algunos aparatos electrónicos de residuos electrónicos engorrosos, como las antenas comerciales.
Como exposición conceptual, demostramos un sistema integrado flexible monolítico totalmente impreso con MXene que permite la recolección de energía inalámbrica, la transmisión de datos y la detección de T/H de forma simultánea. Esta estrategia de impresión a temperatura ambiente muestra un enorme potencial de aplicación para la fabricación de productos electrónicos flexibles en diversos campos como IoT, etiquetas inteligentes, empaques inteligentes, monitoreo ambiental, detección agrícola, atención médica, 5G, etc. De cara al futuro, esperamos que este trabajo inspire una mayor exploración de componentes imprimibles fáciles de integrar y acelerar el progreso de la electrónica impresa, flexible y portátil.
Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable. Los datos originales se proporcionan con este documento.
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Esta investigación fue apoyada por el Fondo Nacional de Ciencias para Jóvenes Académicos Excelentes de China (Subvención No. 31922063) y los Fondos de Investigación Fundamental para las Universidades Centrales. Agradecemos el apoyo de la Junta Directiva de ETH y las subvenciones de la convocatoria de investigación interna de Empa (IRC-cupsupercap 2019, IRC-NitfixMX 2020). Agradecemos a X. Li, G. Xu y Q. Liu por sus útiles debates, y a D. Li, H. Dong y J. Xie por su ayuda en la fabricación y medición del dispositivo. Agradecemos el apoyo técnico del Laboratorio Estatal Clave de Instrumentos Ópticos Modernos y el Centro de Análisis de Agrobiología y Ciencias Ambientales de la Universidad de Zhejiang.
Laboratorio de Información Agrícola Inteligente, Escuela de Ingeniería de Biosistemas y Ciencias de los Alimentos, Universidad de Zhejiang, 310058, Hangzhou, China
Yuzhou Shao, Xinyue Wu, Chengmei Jiang, Yao Yao, Bo Peng, Han Chen, Yibin Ying y Jianfeng Ping
Laboratorio de Investigación Aplicada en Electromagnética, Universidad de Zhejiang, 310027, Hangzhou, China
Lusong Wei y Jiangtao Huangfu
Facultad de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad de Sichuan, 610065, Chengdu, Sichuan, China
Chuanfang John Zhang
Laboratorios federales suizos de ciencia y tecnología de materiales (Empa), dominio ETH, 129 Überlandstrasse, CH-8600, Dübendorf, Suiza
Chuanfang John Zhang
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YS, YY, JP y CZ diseñaron el proyecto y los experimentos. YS, CZ, CJ e Y.Yao realizaron experimentos de síntesis de materiales, desarrollo de tinta y caracterización. YS, CZ, BP y HC fabricaron los dispositivos impresos, realizaron las mediciones y analizaron los datos. SW y JH ayudaron con el diseño de RF y las simulaciones de software. XW realizó el diseño y las mediciones de los circuitos. YS, JP y CZ escribieron el manuscrito. Todos los autores revisaron y comentaron el manuscrito.
Correspondencia a Yibin Ying, Chuanfang John Zhang o Jianfeng Ping.
Los autores declaran no tener conflictos de intereses.
Nature Communications agradece a Se Hyun Kim y a los revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo. Los informes de los revisores pares están disponibles.
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Shao, Y., Wei, L., Wu, X. et al. Impresión de alta precisión a temperatura ambiente de componentes electrónicos inalámbricos flexibles basados en tintas MXene. Nat Comuna 13, 3223 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30648-2
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Recibido: 24 de noviembre de 2021
Aceptado: 05 de mayo de 2022
Publicado: 09 de junio de 2022
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-30648-2
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