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热点 | 导电聚合物“升维”制造,3D打印迎来新突破

导电聚合物在储能、柔性电子、生物医药等多个领域具有重要应用前景。当前导电聚合物的加工主要依赖于喷墨印刷、丝网印刷和光刻技术等技术。这些加工技术工艺复杂、成本高,限制了导电聚合物的快速创新及广泛应用。

近日,麻省理工学院赵选贺团队发明了一种导电聚合物墨水,首次实现了导电聚合物的高精度3D打印,为导电聚合物的加工制造提供了一个简单快速、成本低廉的技术。该墨水打印性优异,实现导电聚合物微结构的高分辨率3D打印;并可与现有打印材料集成,实现多材料3D打印。赵选贺团队展示了高密度电极、柔性微电路等生物电子器件的快速、高通量制造。

原料的局限限制了技术的发展

导电聚合物 (Conducting polymers) 是近年来获得众多学者关注的材料,在柔韧性上与塑料相当,同时还有和金属相似的导电性能。这种独特的材料性能让导电聚合物有着很广泛的应用场景,但目前这一材料在加工制造环节有很明显的瓶颈。团队表示,这些导电聚合物可以较为轻易地作为涂料均匀喷涂在触摸屏表面。但现有的制造工艺难以实现高精度大面积的二维图案,通过 3D 打印制造复杂三维结构更是从未实现过。

热点 | 导电聚合物“升维”制造,3D打印迎来新突破

据介绍,现有针对导电聚合物的加工技术包括:电子束蚀刻(electron beam lithography)、喷墨打印以及类似丝网印刷的方式。这些方法都存在局限性:喷墨打印和丝网印刷只能得到较低精度的二维导电聚合物器件;电子束蚀刻只能实现较小规模的二维器件,而且成本很高。因而现阶段,导电聚合物的制造加工是限制该材料进一步发展的关键障碍。而这次在利用导电聚合物打造各种元器件的过程中,采用 3D 打印的方法能在精度、造价和加工时间等方面较传统工艺有着明显提升。

导电聚合物的升级原理和升维过程

3D打印PEDOT:PSS墨水的合理设计是该技术的关键。通常情况下,导电聚合物以其单体或聚合物溶液形式加工使用,流动性强、不能直接用于3D打印。为了赋予导电聚合物3D打印所必需的流变性能,该研究团队开发出一种简单的方法将商业化PEDOT:PSS水溶液产品转化为高性能可3D打印的导电聚合物墨水。

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PEDOT:PSS的成功3D打印具有重要的现实价值。研究团队首先以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETE)为基底,连续、快速制造出108多微电子电路(精度100 ?m),总印刷时间少于30分钟,实现了柔性高精度PEDOT:PSS电子电路的程序化、高通量制造。所打印出的电路可以轻易点亮LED灯,并且在弯折扭曲等力学作用下保持功能。

开发出能够进行 3D 打印的导电聚合物,将可以利用这种材料进行大量印刷柔性、形状结构多样的电子器件,例如柔性电路和在脑机接口中使用的神经电极等。而该研究的首次成功实现了导电聚合物的高精度3D打印,在导电聚合物传统加工处理技术之外开发了一种简单快速、成本低廉的技术手段,为柔性电子、可穿戴/植入设备等器件定制及商业推广提供了新策略。

3D打印迎来新突破,意义非凡

3D 打印而成的导电聚合物的生物电学性能、与神经接触时表现出来的电学性能甚至比金属更好。 对最新的研究成果来说,制作神经电极是一个非常具有代表性的应用场景,体现了既具有柔性又具有导电性的材料优势。

热点 | 导电聚合物“升维”制造,3D打印迎来新突破

当导电聚合物能够通过 3D 打印制造各种具有高精度、三维的器件和结构时,它就比二维器件有更加广泛的应用前景,比如三维的电路、三维的传感器、三维的催化剂、三维的电池电极等,从二维到三维的突破为未来的各种器件提供了更多可能性。

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