激光加工将普通记号笔墨水变成导电石墨烯

(Nanowerk Spotlight）想象一下用记号笔绘制一个电子电路，然后用激光将其转换成一个正常工作的传感器。这种能力曾经被认为是不切实际的，但现在格拉茨理工大学和圣安娜超级理工学院的科学家们开发的创新工艺已经证明了这一点。他们的研究成果发表在《先进科学》（Advanced Science）杂志上（“Laser-Induced Graphene from Commercial Inks and Dyes”），揭示了标准记号笔中的某些常见染料可以转化为激光诱导石墨烯（LIG），这是一种导电碳材料，在柔性电子器件和传感器中具有广阔的应用前景。

文献链接：https://doi.org/10.1002/advs.202412167

这项研究的重点是一种广泛使用的呫吨染料– Eosin Y ，它表现出卓越的稳定性和结构特性，非常适合激光转换。虽然现有的 LIG 生产大多依赖于聚酰亚胺等聚合物前驱体，但这项研究表明，染料和油墨等非聚合物材料也可以作为有效的前驱体。实现这种转化的关键因素是染料的芳香环结构及其在加热到 800°C 时保持至少 20% 重量的能力，从而防止在发生碳化之前完全分解。

通过将 Eosin Y 与丙烯酸粘合剂混合，研究人员创造出了一种可应用于各种表面的多功能墨水。激光划线后，得到的 LIG 显示出 34 ± 20 S cm-1 的导电性，与聚酰亚胺衍生 LIG 的导电性相当。研究人员称这种方法为 “Paint & Scribe”，它可以在各种基底上直接形成导电图案，从而拓展了将电子器件集成到非常规材料中的潜力。

对非永久性笔形标记和染料鉴定的调查。a) 用红外激光照射涂有各种 Lumocolor 标记的丙烯酸玻璃区域的图像，显示碳化和/或烧蚀；b) Lumocolor 标记的傅立叶变换红外光谱（虚线 = 红外激光源波长）；c) 用 10° 楔形连续散焦 d 筛选示意图；d) 涂有已识别染料和聚酰亚胺（被视为 LIG 的标准参考聚合物前体）薄膜的玻璃载玻片区域的图像，显示不同散焦程度下的烧蚀和/或碳化（插图： 染料和聚酰亚胺的化学结构）。(图片：转载自 DOI:10.1002/advs.202412167，CC BY）

研究小组的发现源于一次偶然的观察：市售标记中的某些颜色可以被激光碳化，而其他颜色则仅仅被烧蚀。进一步的光谱分析发现，Eosin Y 是一种特别有效的前体。虽然其他染料（如 Eosin B）也显示出一定的激光诱导热解潜力，但研究发现，并非所有的荧蒽染料都有同样的表现。研究确定，光学吸收和热稳定性的结合对染料能否成功形成类似石墨烯的导电结构起着至关重要的作用。

为了展示这项技术的潜力，研究人员用他们的墨水配方给一个陶瓷杯涂上了一层涂料。然后，他们用激光选择性地将部分涂料转化为导电 LIG，直接在杯子表面形成一个电阻式温度传感器。当热液体倒入杯中时，传感器的电阻发生了变化，这证明了它具有简单的热指示器功能。

除了表面图案化，研究小组还开发出了一种制造独立石墨烯结构的方法。通过将未转化的丙烯酸粘合剂溶解在丙酮中，并将碳化的石墨烯浮在水面上，他们就能将导电材料提升并转移到其他基底上。这种技术尤其适用于将 LIG 集成到可能无法承受直接激光加工的柔性聚合物上。

对转化材料的详细分析发现了一种意想不到的副产品：在 LIG 表面形成的溴化钠（NaBr）晶体。这些微观结构产生于热解过程中 Eosin Y 的分解，并通过能量色散 X 射线 (EDX) 和 X 射线衍射 (XRD) 分析得到了证实。虽然这些晶体不会对导电性产生重大影响，但它们的存在为了解激光处理过程中发生的化学变化提供了宝贵的信息。

拉曼光谱进一步证实了类似石墨烯结构的存在，显示出无序碳和 sp2 键碳的特征峰。然而，研究人员注意到，虽然所生成的材料具有很强的电学特性，但它与原始石墨烯并不完全相同。生成的 LIG 含有一些结构不规则性，这是有机前驱体激光诱导石墨烯的常见特征。

这项研究通过证明市场上可买到的染料可以作为可碳化的前驱体，扩展了 LIG 的制造能力。虽然传统的石墨烯生产主要集中在固体聚合物片材上，但这项工作表明，液态油墨和涂料也可以使用，从而在印刷和柔性电子领域实现了新的应用。

“Paint & Scribe”方法具有简化电子原型制作的潜力。通过使用易于涂抹的染料涂层，研究人员和工程师可以在从玻璃、陶瓷到柔性聚合物等非传统表面上创建导电迹线和传感器。该工艺还可用于工业应用，通过自动喷涂或喷墨沉积前驱体材料，可实现基于石墨烯的电子产品的规模化制造。

虽然还需要进一步改进以提高材料的均匀性和导电性，但这项研究为如何将日常材料重新用于先进的电子应用提供了一个新的视角。通过利用商业染料的特性，这项技术可以降低开发功能性碳基电子器件的门槛，使石墨烯技术在多个领域更加普及。