创造明天的技术——石墨烯喷墨3D打印

诺丁汉大学破解了一个难题，即使用墨水来3D打印出新型的电子设备，此电子设备具备将光转换成电能的能力。

研究表明，含有二维材料的微小薄片，如石墨烯的喷射油墨可以建立这些复杂的、定制的结构的不同层，并将它们拼接在一起。

利用量子力学模型，研究人员还精确地指出了电子是如何穿过二维材料层的，以便完全理解突破性设备在未来怎样被改造。

论文的合著者、物理和天文学学院院长马克·弗洛霍尔德教授说：“通过将量子物理的基本概念与最先进的工程结合起来，我们已经展示了如何通过打印几层只有几个原子厚但厘米宽的材料来制造控制电和光的复杂装置”。

“根据量子力学定律，电子运动是波而不是粒子，我们发现二维材料中的电子沿着多个薄片的复杂轨迹移动，似乎是电子从一个薄片跳到另一个薄片，就像青蛙在池塘表面重叠的百合花上跳跃一样”。

石墨烯通常被称为“超级材料”，于2004年首次问世。它展现出许多独特的性能，如比钢更坚固、高度柔韧性，是有史以来最好的导电体。

像石墨烯这样的二维材料通常是由单层碳原子按顺序剥落而成的，将它们排列在平板上，然后用来制造定制的结构。

然而，制造多层并将它们组合成复杂的像三明治状的材料一直很困难，通常需要手工一层一层的叠加。

自二维材料被发现以来，涉及的专利数量呈指数级增长，包括石墨烯。然而，为了充分发挥其潜力，需要开发可扩展的制造技术。

这篇新论文表明，使用油墨的添加剂制造(通常称为3D打印)提供了一种有前景的解决方案，油墨中悬浮着微小的、只有十亿分之一米宽的石墨烯薄片。

通过将先进的制造技术与精密的性能测量方法和量子波建模相结合，该团队精确地找出了喷墨打印石墨烯成功取代单层石墨烯作为二维金属半导体接触材料的方法。

合著者、添加剂制造中心柳德米拉·图里扬斯卡博士说：“虽然以前已经用3D打印技术打印过2D层和设备，但这是首次发现电子是如何穿过它们的，并展示了组合打印层的潜在用途”。“我们的研究结果可以为喷墨打印的石墨烯-聚合物复合材料和其他一系列二维材料带来不同的应用，可用于制造新一代的功能性光电器件如大型高效太阳能电池，通过阳光或佩戴者的运动驱动的可穿戴的、柔性的电子产品，甚至可能是印刷电脑”。

这项研究是由添加剂制造中心的工程师和对量子技术有共同兴趣的物理和天文学院的物理学家在EPSRC 585万英镑的项目资助下进行的，使下一代添加剂制造成为可能。

研究人员使用了多种表征技术，包括显微拉曼光谱（激光扫描）、热重力分析、新型3D orbiSIMS仪器和电学测量，以提供喷墨打印石墨烯聚合物的详细结构和功能了解及热处理(退火)对性能的影响。

研究的下一步是通过使用聚合物来影响薄片排列和排列方式以更好地控制薄片的沉积，并尝试不同的薄片和不同的油墨。研究人员还希望开发出更复杂的计算机模拟材料和它们一起工作的方法，并开发出量产的设备原型。