图 | 刘铁峰（来源：刘铁峰）
而在前不久，身处异国他乡的刘铁峰和目前所在团队，通过基态电荷转移的办法，制备了一种水相导电高分子墨水（BBL:PCAT-K）。
这种墨水在空气中保存 6 个月以上，也不会发生沉降或者聚拢。
由于基态电荷发生转移，p 型导电高分子和 n 型导电高分子同时被掺杂，终极电导率达到 0.3S/cm，比较之下提升了 10000 倍以上。
如果再加一些添加剂，还能进一步将电导率提升到 2S/cm 以上，与目前商用的 PEDOT:PSS 墨水相称。
（来源：Nature Communications）
其还具有可溶液加工、高电导率、低功函数等特点，并且具有精良的稳定性，对付多数常见有机溶剂都具备一定耐受度。
采取这种墨水所制成的薄膜，在 200℃ 条件下加热 50 小时后，电学性子险些无衰减。当利用该墨水进行电子器件的大规模生产时，对环境的影响可以大幅减少。
同时，当利用这种墨水作为电子传输层，还可以造出有机太阳能电池器件。比较常用的无机电子传输层，墨水电子传输层不仅在器件性能上和前者相称，同时事情稳定性也能得到显著提升。
此外，这种墨水还能作为导电沟道，以用于制备有机电化学晶体管，实验结果显示连续事情 4 小时以上，器件性能险些毫无衰减。
而当将这种晶体管加以集成，还可以造出一种人工神经，这种人工神经不仅具有较低的能耗，而且具备类似于生物神经元的事情频率。
目前，这款墨水的干系专利正在审核阶段，并依托瑞典 n-ink AB 公司（https://www.n-ink.com/）生产发卖，眼下已经有十几家客户。
总的来说，本次研究针对有机半导体材料的加工和处理做出了重大改进，为制备水相导电墨水开辟了新路子，在有机电子领域具有广泛的潜在运用。
（来源：Nature Communications）
缘何难觅高浓度墨水？
据先容，导电高分子兼具高分子材料和半导体材料的特点。自被创造以来得到了学界和业界的广泛研究，干系学者也于 2000 年得到诺贝尔化学奖。
目前，导电高分子已被用于显示、光电子、能源、传感、生物医疗等领域。
在制备导电高分子材料的传统方法中，须要利用有毒、有害、易燃、易爆的有机溶剂，比如氯苯、氯仿等。
无论是对付人体还是对付环境，这些有机溶剂都会产生不利影响，这让干系产品的商业化运用和可持续发展遭受限定。
水，是自然界最常见的物质，也是生物体最主要的组成部分。而开拓水相导电高分子墨水，对付制备大规模印刷电子具有主要意义。
一样平常来说，导电高分子材料是疏水的，很难溶解于水或分散于水。
在导电高分子侧链，通过化学润色的方法引入亲水基团，固然可以改进材料在水中的溶解性。
但是，侧链基团的加入，会改变导电高分子固体薄膜的微纳构造，进而影响电学性子。同时，化学润色会让材料的合成和制备变得更加繁芜。
另一种制备水相导电高分子墨水的办法是：在表面活性剂的帮助下制成微乳液。
但是，通过这种办法每每只能得到低浓度的墨水（常日为ug/ml）。而对付常见的印刷电子器件来说，哀求墨水浓度必须在 mg/ml 以上。
同时，表面活性剂会残留在固体薄膜中，导致器件的电学性子和事情稳定性受到影响。而本次墨水正是针对这些问题所研发的。
从“不看好”到“看好”
那么，刘铁峰是如何开始本次课题的？
他表示：“我刚到瑞典林雪平大学的时候，我的博士后互助导师 Simone Fabiano 就给我定下了基于 n 型导电高分子 BBL 开拓一种水相墨水的课题。”
但是，一开始刘铁峰的思路还是利用传统的表面活性剂，在水中对 BBL 加以稳定，并通过后处理等办法去除表面活性剂从而改进电学性子。这个思路操作繁芜且缺少新意，因此他本人并不看好这个课题。
在瑞典的前四个月中，刘铁峰选择暂时搁置上述课题，而是一边熟习新的实验室和生活环境，一边探求新的课题。
他表示：“我的导师 Simone 是一个很有想法但又很严谨的学者。在研究初期 Simone 有很多异想天开的想法，比如他一开始问我会不会是基态电荷转移帮助材料分散在水中？”
刘铁峰第一想法认为这是不可能的，由于程度日是电荷的钝化剂，以是他很难相信这个机理。但是，通过表征他创造：果真能在材料中检测到基态电荷转移的旗子暗记和特色。
这一创造来自一次有时的考试测验，有一次他创造 BBL 可以很好地分散在商用 p 型导电高分子墨水（PEDOT:PSS）中。于是他将这一创造申报请示给导师，导师同样表示非常惊异。
而当证明基态电荷转移可以让导电高分子材料在水中进行分散这个机理之后，刘铁峰开始对本次课题充满信心，由于这意味着一个全新的方法出身了。
另据悉，对付商用 PEDOT:PSS 来说，它能在表面活性剂 PSS 的帮助之下，将不溶于水的 p 型的导电高分子 PEDOT 稳定在水中。
而在本次研究之中，课题组创造纯挚的表面活性剂 PSS，并不能分散 n 型导电高分子 BBL。
于是，他们预测是 p 型的导电高分子和 n 型的导电高分子直接存在某种相互浸染。
当时，从属于该实验室的另一支团队，合成了一种水溶性的 p 型导电高分子 PCAT-K，构造比 PEDOT:PSS 更加大略。
随后，刘铁峰也开始考试测验 BBL:PCAT-K 的体系，结果创造 PCAT-K 也能很好地帮助 BBL 分散在水中。
后续表征结果显示：n 型的 BBL 和 p 型的 PCAT-K 之间存在基态电荷转移，从而能让导电高分子之间的相互浸染催生出来一种水相墨水。
也便是说，如果 p 型导电高分子和 n 型导电高分子之间的能级相互匹配，那么在基态条件之下即可发生电荷转移，从而让分子与分子之间发生相互吸引浸染。
利用基态电荷转移所产生的相互浸染，可以将不溶于水的导电高分子材料分散在水中，或将分散在水中的导电高分子材料析出。
同时，这一方法具有普适性，适用于多种导电高分子材料。
为了验证上述方法，课题组选取羧基烷氧基润色的 p 型聚噻吩导电高分子（PCAT-K），将不溶于水的 n 型导电高分子均匀地分散在水中，终极造出了 BBL:PCAT-K 墨水。
“冲破我对北欧事情轻松的认知”
而在论文投稿之前，刘铁峰的导师 Simone 又表示了他严谨负责的一方面。
他说：“Simone 会让我做大量的实验、表征材料、验证机理。后来，我们在补充信息中放了 40 多张数据图来充足结论。Simone 在修正论文时也是细致入微，乃至连参考文献也会修正推敲。”
“同时 Simone 也是一个精力兴旺的导师，我常常在晚上 12 点还能收到他的邮件，周末也常常在办公室看到他事情。这冲破了我对北欧事情轻松的认知。”刘铁峰表示。
终极，干系论文以《全聚合物供体中的地态电子转移：受体共混物使水溶性共轭聚合物的水处理成为可能》（Ground-state electron transfer in all-polymer donor:acceptor blends enables aqueous processing of water-insoluble conjugated polymers）为题发在 Nature Communications[1]。
刘铁峰是第一作者，瑞典林雪平大学西蒙纳·法比亚诺（Simone Fabiano）教授担当通讯作者。
图 | 干系论文（来源：Nature Communications）
接下来，他们将考试测验新的材料体系，也将考试测验通过添加剂等办法，希望进一步提升导电高分子墨水的电导率，以知足更多运用处景的需求。
同时，课题组也希望利用这种方法制备基于其他溶剂（比如乙醇等）的导电高分子墨水。
此外，只管本次墨水已经得到了一些客户。然而，目前只能实现实验室级别的小规模生产制备（~100ml）。因此，在大批量生产上，他们也在连续进行探索。
参考资料：
1.Liu, T., Heimonen, J., Zhang, Q. et al. Ground-state electron transfer in all-polymer donor:acceptor blends enables aqueous processing of water-insoluble conjugated polymers. Nat Commun 14, 8454 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-44153-7
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