魯汶大學(xué)3D打印可拉伸PEDOT:PSS氣凝膠，用于可穿戴熱電材料

2025年9月24日，南極熊獲悉，由比利時(shí)魯汶大學(xué)Francisco Molina-Lopez教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，首次展示了一種PEDOT:PSS氣凝膠的全向3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了可拉伸互連與高縱橫比熱電（TE）柱的直接制備。這一創(chuàng)新為可穿戴電子、軟體機(jī)器人等前沿領(lǐng)域的柔性能源與傳感器件設(shè)計(jì)帶來全新可能。

△相關(guān)研究已發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》期刊上，題目為“PEDOT 的全方位3D打?。壕哂锌烧{(diào)機(jī)電性能的PSS氣凝膠：非常規(guī)可拉伸互連和熱電材料的試驗(yàn)場”（傳送門）

這種新方法將直接墨水書寫（DIW）與原位冷凍干燥技術(shù)相結(jié)合，首次在硅基底及彈性體表面直接打印出自由形態(tài)的多孔PEDOT:PSS氣凝膠結(jié)構(gòu)。團(tuán)隊(duì)通過工藝路線調(diào)整，成功制備出兼具超低熱導(dǎo)率（0.065 W·m?1·K?1）與可拉伸導(dǎo)電性能的氣凝膠，這種方法克服了長期以來將脆弱的氣凝膠與可拉伸基底相結(jié)合的難題，從而實(shí)現(xiàn)了此前無法實(shí)現(xiàn)的3D熱電結(jié)構(gòu)。

△3D可拉伸電子產(chǎn)品的材料、加工和集成概述

用于能源和傳感的3D打印氣凝膠

研究人員制備了兩類PEDOT:PSS漿料。其中一種是將鋰鹽和GOPS添加劑混合，以增強(qiáng)拉伸性和導(dǎo)電性。第二種方法是依靠過濾和溶劑交換去除多余的PSS，從而降低熱導(dǎo)率并提高熱電效率。

這種雙路線策略使氣凝膠能夠針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行定制：基于添加劑的配方最適合可拉伸互連，而過濾變體則為TE設(shè)備提供了更高的品質(zhì)因數(shù)。

△由選定成分制成的氣凝膠的材料形態(tài)表征

演示器件包括拱形互連結(jié)構(gòu)，失效應(yīng)變高達(dá)15%，并在200次應(yīng)變循環(huán)中保持穩(wěn)定的電阻。垂直TE柱在類似皮膚的條件下（ΔT ≈ 15 °C）產(chǎn)生26 nW·cm?2的輻射能量，在接觸電阻受限的條件下，性能優(yōu)于致密的PEDOT:PSS柱。

△基于氣凝膠平面拱形結(jié)構(gòu)（3D打印于彈性體基底上）的可拉伸互連結(jié)構(gòu)

DIW與原位冷凍干燥結(jié)合

傳統(tǒng)的PEDOT:PSS薄膜在彈性體上加工時(shí)經(jīng)常會(huì)收縮或分層。通過將漿料直接打印在硅膠上并進(jìn)行原位冷凍干燥，魯汶大學(xué)的研究人員獲得了具有高形狀保真度、高粘附性以及拱形和柱狀等3D幾何形狀的氣凝膠。

光譜分析表明，鹽添加劑縮短了π-π堆積距離，提高了電導(dǎo)率，而過濾則促進(jìn)了有序?qū)悠男纬?，從而改善了熱電性能。這些方法共同構(gòu)成了一個(gè)多功能材料庫，可用于定制機(jī)電和能量收集功能。

△3D打印柱的熱電性能

對(duì)于行業(yè)的意義

碲化鉍等無機(jī)熱電材料雖占主導(dǎo)地位，但它的脆性和高成本限制了在柔性可穿戴系統(tǒng)中的應(yīng)用；而PEDOT:PSS等導(dǎo)電聚合物又因薄膜器件功率不足而面臨挑戰(zhàn)。為此， 魯汶大學(xué)的研究者利用機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化油墨與晶格結(jié)構(gòu)定制等新興技術(shù)，通過結(jié)合全向直寫與冷凍干燥技術(shù)，制備出了機(jī)械強(qiáng)度高、多孔的PEDOT:PSS氣凝膠。該材料可直接與彈性體結(jié)合，能夠打印可拉伸互連件和高效熱電柱，極大地拓展了可穿戴電源、皮膚電子設(shè)備和軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)空間。