咖啡渍激发了电子产品的最佳印刷技术

干燥液滴的颗粒轨迹，红色箭头显示轨迹的终点。

你有没有把咖啡洒在桌子上？然后，您可能已经观察到流体力学中最令人困惑的现象之一-咖啡环效应。这种影响阻碍了功能性油墨与石墨烯，2-D材料和纳米颗粒的工业应用，因为它使印刷电子设备的行为不规则。

现在，经过多年的研究，该团队的研究人员创建了一个克服这一问题的新油墨系列，从而能够制造新的电子设备，例如传感器，光探测器，电池和太阳能电池。

之所以形成咖啡环，是因为液体在边缘处蒸发得更快，导致固体颗粒的堆积，从而形成典型的深色环。墨水的行为就像咖啡一样-墨水中的颗粒在边缘周围聚集，形成不规则的形状和不平坦的表面，尤其是在硅晶片或塑料等坚硬的表面上打印时。

由剑桥大学剑桥石墨烯中心的Tawfique Hasan，杜伦大学化学系的Colin Bain和北京航空航天大学电子与信息工程学院的Meng Zhang领导的研究人员研究了墨滴的物理性质。高速显微摄影，流体力学和溶剂的不同组合中的粒子跟踪。

他们的解决方案是：酒精，特别是异丙醇和2-丁醇的混合物。使用这些，墨水颗粒倾向于均匀地分布在液滴上，从而产生具有均匀厚度和特性的形状。他们的结果发表在《科学进展》杂志上。

哈桑说：“墨滴的天然形式是球形的，但是由于其成分，我们的墨滴呈薄饼状。”

干燥时，新的墨滴在整个表面上平滑变形，从而始终如一地散布颗粒。使用这种通用配方，制造商可以将喷墨打印作为一种廉价，易于使用的策略来制造电子设备和传感器。新油墨还避免使用聚合物或表面活性剂-用于解决咖啡环效应的商业添加剂，但同时也阻碍了石墨烯和其他二维材料的电子性能。

最重要的是，新方法可实现可重复性和可扩展性—研究人员设法在硅晶片和塑料基板上印刷了4500种几乎相同的设备。特别是，他们印制了气体传感器和光电探测器，两者的性能变化很小。以前，即使显示数百种此类设备的行为不均，也被认为是成功的。

第一作者胡国华说：“了解墨滴的基本行为使我们找到了喷墨打印各种二维晶体的理想解决方案。” “我们的配方很容易按比例放大，以在硅片或塑料上印刷新的电子设备，甚至在喷漆和可穿戴设备中印刷，已经达到或超过了印刷设备的可制造性要求。”

除石墨烯外，该团队还优化了十几种包含不同材料的油墨配方。其中一些是石墨烯的二维“表亲”，例如黑磷和氮化硼，其他则是更复杂的结构，例如异质结构-不同2-D材料的“三明治”以及纳米结构材料。研究人员说，他们的油墨配方还可以印刷纯的纳米颗粒和有机分子，这些材料可以促进电子和光子设备的制造，以及更高效的催化剂，太阳能电池，电池和功能性涂层。

该团队希望很快看到该技术的工业应用。他们的第一个概念证明-印刷传感器和光电探测器-在灵敏度和一致性方面已经显示出令人鼓舞的结果，超出了通常的行业要求。这将吸引对印刷和柔性电子产品感兴趣的投资者。

哈桑说：“我们的技术可以加快物联网中廉价，低功耗，超连接传感器的采用。” “智慧城市的梦想将实现。”

文章来源：《北京印刷学院学报》 网址: http://www.bjysxyxb.cn/zonghexinwen/2020/0828/403.html