高浓度、无添加剂的石墨烯衍生物墨水可实现高分辨率、高保真度的印刷特性。图片来源：Tuan Kien Nguyen（作者提供）
石墨烯素有“奇迹材料”之称，其强度惊人、导电性卓越且薄如蝉翼——仅一个原子层厚。这些特性使其成为柔性电子设备、可穿戴设备和印刷传感器等下一代技术的理想候选材料。然而多年研究表明，将石墨烯转化为实用型可印刷墨水仍是重大挑战。
如今，我们莫纳什大学的研究团队提出了一种突破石墨烯关键瓶颈的新方法：制备出高浓度且流动性优异的工业级印刷墨水，且无需依赖性能受限的添加剂。
该研究成果发表于《Advanced Materials Technologies》期刊。
石墨烯墨水制备为何如此困难
要应用于实际器件，石墨烯通常需以液态形式加工，类似于墨水。这些液态墨水可通过可扩展制造技术直接涂覆或印刷于塑料薄膜、纸张或纺织品上。
乍看之下，石墨烯可能呈现粉末状，但在纳米尺度下，其行为更类似于数十亿张超薄柔性片层悬浮于液体中。每片单层厚度仅一个原子，但宽度可达数千倍，使石墨烯获得远超体积的巨大比表面积。
原始石墨烯材料（左）与后处理石墨烯基材料（即致密块状还原氧化石墨）（右） 图片来源：Tuan Kien Nguyen
这种巨大比表面积导致石墨烯片之间存在强烈的自然吸引力，如同保鲜膜片接触瞬间即会粘连。随着浓度增加，单层被迫更紧密地聚集，使其更容易重新堆叠而非均匀分散在液体中。
石墨烯的极致薄度也解释了其墨水为何会快速变稠。尽管每层材料含量极少，但当其漂浮在液体中时，却占据着惊人的“个人空间”。科学家称之为排斥体积效应，但可用简单类比说明：想象搅拌装满大而扁平的叶片而非细沙的碗。叶片会迅速重叠、阻碍彼此运动，形成抗拒流动的缠结网络。
随着石墨烯添加量增加，这些片层开始接触并相互嵌合，在液体中形成连续的网状结构。一旦形成这种结构，即使在较低浓度下，石墨烯分散液的行为也更接近软凝胶而非流动墨水。这种快速增稠特性使得石墨烯难以通过标准印刷和涂覆技术加工。
问题在于高浓度石墨烯在液体中难以保持均匀分散。随着石墨烯含量增加，片层间自然吸引力会将其拉拢，导致团聚、重叠堆叠，最终沉淀析出。
与此同时，石墨烯含量的微小增加便会使液体粘度急剧上升，大幅增加印刷难度。由于石墨烯片极薄且宽，其相互间的相互作用远强于多数颗粒。这导致粘度在极低浓度下便会急剧上升，并形成缠结的凝胶状网络。
因此，大多数传统石墨烯墨水只能采用极稀释配方，浓度常低于每毫升几毫克——远低于高效高产制造所需的浓度。
为解决此问题，许多墨水依赖聚合物粘合剂或表面活性剂来维持石墨烯的稳定性和可印刷性。但这些添加剂存在代价：它们会稀释活性材料，并可能降低最终器件的电学和热学性能。
重新思考石墨烯的形态，而非仅限于其化学性质
我和同事们没有选择添加更多成分，而是采取了另一种方法：改变石墨烯本身的结构。
我们开发了一种名为致密块状还原氧化石墨烯（DB-rGtO）的石墨烯衍生物。这种材料不再呈现扁平的片状结构，而是由松散堆叠的类石墨烯层构成三维块状体。
关键在于，部分层状结构仍暴露于周围液体中，使材料能够以可控方式与溶剂相互作用。
这种形态的微妙改变产生了重大影响。三维结构使DB-rGtO不易发生不可逆的堆叠和聚集，同时降低了传统石墨烯片常见的剧烈粘度增加现象。因此该材料可在更高浓度下保持流畅分散。
在多种常用印刷溶剂的测试中，DB-rGtO分散液无需添加任何粘合剂，即可在超过100毫克/毫升甚至高达200毫克/毫升的浓度下保持可印刷性。
从实验室墨水到印刷器件
研究团队利用这种无粘合剂的高浓度墨水，在柔性基材上实现了高分辨率丝网印刷。该墨水可形成清晰锐利的交指式图案，特征尺寸达数百微米量级，适用于印刷电子元件制造。
印刷石墨烯薄膜还通过了电热加热器测试。通电后薄膜能高效均匀升温，展现出在柔性加热器、可穿戴电子设备及其他轻量化器件中的应用潜力。
意义所在
高浓度墨水是实用印刷与涂层技术的关键要素。其能减少溶剂用量、降低干燥能耗、缩短印刷工序次数，从而实现更快速、更经济且更环保的制造流程。
本研究通过工程化调控石墨烯形态（而非添加惰性粘合剂）来提升其可印刷性，为开发可规模化生产的高性能石墨烯墨水开辟了新路径。该方法有望弥合石墨烯在实验室的非凡特性与其在实际产品中长期期待的应用效果之间的差距。
本文属于《Science X Dialog》栏目，该栏目供研究人员汇报其已发表研究论文的成果。
出版详情
Tuan Kien Nguyen et al, Solvation‐Modulated Dispersions of Reduced Graphite Oxide Toward Binder‐Free Conductive Inks, Advanced Materials Technologies (2025). DOI: 10.1002/admt.202501878
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