来自比利时顶尖研究型大学KU Leuven的一个团队展示了PEDOT:PSS气凝胶的首次全方位3D打印，实现了可拉伸互连和高纵横比热电（TE）柱。该研究由Francisco Molina-Lopez领导，发表在《Advanced Science》上。

这种新方法将直接墨水写入（DIW）与原位冷冻干燥相结合，直接在硅胶基底上生产自由形态、多孔的PEDOT:PSS结构。通过调整加工路线，研究人员实现了将超低热导率（0.065 W·m⁻¹·K⁻¹）与可拉伸、导电性能相结合的气凝胶，为可穿戴电子设备和软体机器人中的实际应用铺平了道路。这种方法克服了将脆弱的气凝胶与可拉伸基底集成的长期挑战，实现了以前无法实现的3D热电架构。

3D可拉伸电子设备的材料、加工和集成概览。图片来自《Advanced Science》。

3D打印气凝胶用于能量和传感

该团队准备了两类PEDOT:PSS浆料。一种结合了锂盐和GOPS添加剂，以增强可拉伸性和导电性。第二种路线依靠过滤和溶剂交换去除多余的PSS，降低热导率并提高热电效率。

这种双路线策略使气凝胶能够针对特定应用进行定制：基于添加剂的配方最适合用于可拉伸互连，而经过过滤的变体为TE设备提供了更高的优值。

由选定配方制成的气凝胶的材料形态学表征。图片来自《Advanced Materials》。

演示设备包括具有高达15%失效应变和200次应变循环稳定电阻的拱形互连。在类似皮肤的条件下（ΔT ≈ 15°C），垂直TE柱产生了26 nW·cm⁻²的功率，其性能优于在接触电阻限制操作下密集的PEDOT:PSS柱。

全方位DIW与冷冻干燥

传统的PEDOT:PSS薄膜在加工到弹性体上时往往会收缩或分层。通过直接在硅胶上打印浆料并应用原位冷冻干燥，KU Leuven的研究人员实现了具有高形状保真度、集成粘附性和3D几何形状（如拱形和柱状）的气凝胶。

光谱分析显示，盐添加剂缩短了π-π堆叠距离，提高了导电性，而过滤促进了与改善热电行为相关的有序片层。这些路线共同提供了一个多功能的材料库，用于定制机电和能量收集功能。

有机热电在增材制造中的应用

尽管像碲化铋这样的无机热电材料仍然占据主导地位，但它们的脆性和高成本限制了其在软体和可穿戴系统中的应用。像PEDOT:PSS这样的导电聚合物具有轻质、可打印和生物相容性，但薄膜设备在提供足够功率方面一直存在困难。

通过将全方位DIW与冷冻干燥相结合，KU Leuven的方法生产出与弹性体直接集成的机械坚固、多孔的PEDOT:PSS气凝胶。能够打印出既可拉伸又高效的TE柱，扩大了可穿戴电源、皮肤电子设备和软体机器人设计的空间。

扩大3D打印热电设备的设计空间

最近一波研究正在探索增材制造如何重塑热电设备设计。今年早些时候，研究人员展示了如何使用机器学习优化的墨水进行3D打印高性能热电设备，强调了数据驱动的材料设计在提高能量转换中的作用。其他研究小组回顾了晶格结构在通过架构化几何形状调节热和电荷传输以提高效率方面的潜力。与此同时，丝网印刷热电设备的进步展示了可扩展的路径，用于灵活、低成本的能量收集器。KU Leuven的研究通过引入PEDOT:PSS气凝胶的全方位DIW，为3D有机热电设备提供了可拉伸性和超低热导率，进一步推动了这些努力。