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更精確、更快速、更便宜。世界各地的研究人員多年來一直致力于利用機(jī)器人3D打印（所謂的Robocasting）等增材制造電路，并取得了巨大成功，但現(xiàn)在產(chǎn)生了一個(gè)新的問題，使這種3D基材具有導(dǎo)電性的金屬顆粒正在加劇電子廢物的問題，特別是鑒于新型的一次性傳感器，其中一些只使用幾天，未來產(chǎn)生的廢物可能會(huì)增加。

研究人員表示，這構(gòu)成了不必要的浪費(fèi)?，F(xiàn)在迫切需要能夠平衡電子性能、成本和可持續(xù)性的材料。為了開發(fā)一種環(huán)境友好型墨水，研究團(tuán)隊(duì)因此設(shè)定了雄心勃勃的目標(biāo)：無金屬、無毒、可生物降解。并考慮到實(shí)際應(yīng)用：容易成型，對(duì)水分和適度的熱度穩(wěn)定。

用碳和蟲膠

研究人員選擇了廉價(jià)的碳作為導(dǎo)電材料，正如他們最近報(bào)告的那樣。更確切地說：細(xì)長(zhǎng)的石墨小板與微小的煙塵顆?；旌?，在這些小板之間建立電接觸--所有這些都在一個(gè)由著名的生物材料制成的基體中：紫膠，它從鱗片昆蟲的排泄物中獲得。在過去，它被用來制作唱片；今天，它還被用作木制樂器和指甲的清漆。它的優(yōu)點(diǎn)與研究人員所期望的情況完全相符。除此之外，它還能溶于酒精--一種廉價(jià)的溶劑，在涂抹墨水后會(huì)蒸發(fā)，從而使其變干。

盡管有這些成分，但事實(shí)證明這項(xiàng)任務(wù)具有挑戰(zhàn)性。這是因?yàn)闊o論是用于簡(jiǎn)單的絲網(wǎng)印刷還是用于現(xiàn)代3D打印機(jī)，墨水都必須表現(xiàn)出剪切稀化行為。在靜止?fàn)顟B(tài)下，墨水是粘稠的。但是在打印的時(shí)候，當(dāng)它受到橫向剪切力的作用時(shí)，它就會(huì)變得更有流動(dòng)性--就像不滴水的墻面漆，只有在用滾筒的力量涂抹時(shí)才會(huì)獲得更柔軟的稠度。然而，當(dāng)用于增材制造，如用機(jī)械臂進(jìn)行3D打印時(shí)，這就特別棘手：太粘稠的墨水會(huì)太硬--但如果它在打印過程中變得太液態(tài)，固體成分可能會(huì)分離并堵塞打印機(jī)的小噴嘴。

實(shí)際應(yīng)用的測(cè)試

為了滿足這些要求，研究人員對(duì)他們的墨水配方進(jìn)行了大量的修補(bǔ)。他們測(cè)試了兩種尺寸的石墨板塊：40微米和7至10微米的長(zhǎng)度。石墨和炭黑的混合比例也需要有許多變化，因?yàn)檫^多的炭黑會(huì)使材料變脆，帶來墨水干燥時(shí)開裂的風(fēng)險(xiǎn)。通過優(yōu)化配方和成分的相對(duì)組成，該團(tuán)隊(duì)能夠開發(fā)出幾種可用于不同的二維和三維打印工藝的墨水變體。

最大的挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電性，同時(shí)形成一個(gè)碳、石墨和蟲膠的凝膠狀網(wǎng)絡(luò)。該團(tuán)隊(duì)通過幾個(gè)步驟調(diào)查了這種材料在實(shí)踐中的表現(xiàn)。例如，用一個(gè)微小的測(cè)試立方體。15個(gè)來自3D打印機(jī)的疊加網(wǎng)格--由直徑僅0.4毫米的細(xì)線組成。這表明，該墨水也足以滿足機(jī)器人鑄造等苛刻的工藝。

為了證明其對(duì)實(shí)際部件的適用性，研究人員特別建造了一個(gè)變形傳感器：一個(gè)印有墨水結(jié)構(gòu)的薄PET條，其電阻隨著不同程度的彎曲而精確變化。此外，對(duì)拉伸強(qiáng)度、在水中的穩(wěn)定性和其他性能的測(cè)試顯示出有希望的結(jié)果--因此研究小組相信，這種已經(jīng)獲得專利的新材料可以在實(shí)踐中證明自己。"古斯塔夫-尼斯特羅姆說："我們希望這種油墨系統(tǒng)能夠用于可持續(xù)印刷電子的應(yīng)用，例如，用于智能包裝和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中的導(dǎo)電軌道和傳感器元件，或者用于食品和環(huán)境感應(yīng)領(lǐng)域。