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2026

Nature Communications｜蒸发驱动的通用、高通量、卷对卷纳米材料印刷

作者：

英文题目：

Evaporation-driven generic, high-throughput and roll-to-roll printing of nanomaterials

中文题目:

蒸发驱动的通用、高通量、卷对卷纳米材料印刷

期刊信息：Nature Communications

发表日期：2025年11月8日

DOI: 10.1038/s41467-025-66455-8

摘要内容：

将低维纳米材料组装成宏观薄膜，可突破传统聚合物膜的极限，在分离、能量收集、光热管理及软体机器人等领域释放巨大潜能。然而，目前仍缺乏一种简便且通用的策略，能把任意纳米材料大规模、高通量地制成均匀薄膜。本研究提出“蒸发驱动印刷（EDP）”新方法：借助水蒸发这一普遍物理现象，诱导纳米材料向蒸发界面快速自下而上迁移，并在多孔基底表面因尺寸筛分效应而组装成取向堆叠薄膜。EDP无需任何添加剂即可适用于2D片、1D管及其任意组合，实现多材料、可回收、省材料的卷对卷印刷。EDP所得氧化石墨烯（GO）膜用于纳滤，对Na₂SO₄截留率>95.0%，性能优于多数GO基膜；经高温退火后，其有序层状结构可作为连续导电通路，实现55–107 dB的电磁屏蔽效能。

研究背景与意义：

过去十年，2D片（GO、MXene、MoS₂、BN、MOF、COF等）通过真空抽滤、刮涂、界面自组装、喷墨/直写等方式被制成层状膜，但受限于纳米材料本身理化性质差异，放大过程中易出现缺陷、取向差、速率低、需添加剂等问题，米级连续生产仍是挑战。本工作把“水蒸发”作为驱动力，结合多孔基底尺寸排斥与剪切取向，实现无添加剂、不限材料、卷对卷、图案化、可回收的通用印刷，突破了现有组装策略对材料种类、分散液流变学、基底界面特性的多重约束。

实验步骤：

1. 配墨：将25 mg GO粉末加入25 mL去离子水，磁力搅拌+超声30 min，配成1.0 mg mL⁻¹均匀分散液。

2. 除气：80 °C水浴预热10 min，除去溶解气体以减少后续缺陷。

3. 漂浮基底：裁切聚醚砜（PES）超滤膜（孔径≈8 nm）使其漂浮于液面。

4. 蒸发印刷：继续80 °C水浴加热30 min；水分子从膜孔蒸发，诱导分散液持续向界面补给，GO片被截留在膜表面并取向堆叠。

5. 干燥成膜：提起基底，室温晾干6 h，得自支撑层状GO膜。厚度通过蒸发通量J、时间t、墨水浓度c_ink线性调控：D = 0.00046·J·t·c_ink。

6. 后续处理：若需还原，可用抗坏血酸室温还原12 h，或1000–3000 °C氩气退火获得rGO膜。

主要结果与结论：

① 通用性：同条件成功印刷GO、MXene、BN、CNT、PS微球、TiO₂、Al₂O₃、蒙脱土、高岭土、细菌纤维素等，无需添加剂。

② 高通量：层-层模式同时成膜，面积放大仅增加线性时间；45 m连续GO膜仅30 min完成。

③ 可控性：通过“背掩模/前掩模”遮挡蒸发区，可高分辨图案化（马、燕、电路等），并实现破损电路修复。

④ 省材料：最低墨水浓度0.04 mg mL⁻¹仍可成膜；10次回收-超声-再印刷循环，材料回收率98.1%，蒸发水亦可冷凝回收。

⑤ 性能：EDP-rGO膜Na₂SO₄截留率95.0%，水通量4.3 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹；3000 °C退火后电导4600 S cm⁻¹，电磁屏蔽107 dB（厚度仅4 μm），优于文献同类材料。

详细机理：

多孔基底漂浮在液面→局部加热水分子蒸发→液面下降产生毛细压差ΔP，驱动含纳米材料的溶液不断向基底补给；蒸发区与本体温差诱发平行于界面的马兰戈尼剪切流，使2D片沿流向平躺取向；基底孔径小于纳米材料横向尺寸时，产生“尺寸筛分”瞬间固定，形成致密取向堆叠。整个过程无化学反应，仅依赖蒸发通量、浓度与时间即可线性控制厚度，实现大面积均匀、缺陷少、取向度高达0.86的层状结构。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/coYMVwPiAaTpbQ34mkTP7w