卡内基梅隆大学工程师近日公布一项制造工艺，可在单次打印步骤中将MXene二维纳米片组装为复杂的三维微结构。研究团队称，该方法有望为下一代电子器件、传感器及储能器件的微型化与性能提升提供新的制造路径。相关研究发表在期刊《Small》。

论文第一作者Rahul Panat表示，将二维纳米材料进行三维排列，有助于满足微型电子器件（如微型超级电容器和电池）的性能需求。

研究团队指出，MXene因机械强度高、电化学稳定性好而受到关注，但仅有材料本征性能不足以直接实现高性能器件。电极的结构架构会影响离子与电子在其中的传输效率，若缺乏针对性的结构设计，即便性能先进的MXene也可能在器件层面遭遇瓶颈。

在此前工作中，机械工程教授Panat曾展示在陶瓷骨架支撑下，将二维MXene构建为三维结构的能力。此次研究进一步将工艺推进到自支撑三维结构的制造。

据介绍，团队将MXene纳米片制备为“完全无添加剂”的墨水，并采用气溶胶喷墨打印（AJP）实现复杂结构的直接打印。墨水制备过程中，研究人员利用含MXene纳米片的微米级气溶胶液滴的自然蒸发，并通过空气动力学手段对墨水进行精确引导；同时借助纳米片之间的二次相互作用，促使结构在打印过程中完成组装。

研究团队展示了该工艺在三维与二维图案制造上的控制能力：在三维方面，打印出由弯曲“花瓣”围绕“花茎”构成的微型花朵，以及由树状结构组成的“微型森林”；在二维方面，打印出包括卡内基梅隆大学校徽及创始人安德鲁·卡内基肖像在内的复杂图案。

Panat表示，这类结构的意义在于能够将MXene的材料性能转化为微尺度上的实用高性能器件。

为验证应用潜力，Panat实验室利用该工艺制造了一种三维微型超级电容器。研究称，该器件实现了面积电容375 mF/cm²、面积能量密度11.04 𝜇Wh/cm²，并称其性能超过其他高分辨率方法制备的微型超级电容器。

研究团队同时表示，这是首次将无添加剂二维纳米材料组装为无需支撑结构或后处理的自支撑三维结构，并称相关结构可面向微型可穿戴设备、微型机器人及电池等应用场景。