?????? ?試想，在無論是光滑、粗糙、高低起伏乃至方位各異的任意表面上自由地打印電路會(huì)是一種什么情形？最近，我國科學(xué)家圍繞普適電子打印技術(shù)取得的一項(xiàng)重要進(jìn)展，經(jīng)麻省理工學(xué)院《技術(shù)評(píng)論》報(bào)道后，在國際上引起較大反響。
帶著好奇，記者于12月3日來到這一技術(shù)的誕生地——中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所（以下簡稱“理化所”）低溫生物與醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室，看到了一系列在不同材質(zhì)基底上由銀色液體構(gòu)成的電路圖案。
這可不是藝術(shù)創(chuàng)作。當(dāng)工作人員將一小塊led燈嵌入到圖案上，再連接電池之后，led燈明亮起來。這塊隨意“畫”出的電路板，得益于該實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人劉靜及其團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新成果——液態(tài)金屬噴墨電子打印技術(shù)。最近，他們正在研發(fā)計(jì)算機(jī)控制下的可在各種表面上繪制電路的3d打印系統(tǒng)，試圖讓這一技術(shù)更加親民。
“液態(tài)金屬噴墨”推進(jìn)普適電子打印
“我們的這項(xiàng)研究最初公布在物理學(xué)預(yù)印本網(wǎng)站arxiv上，正式論文將發(fā)表于美國《應(yīng)用物理學(xué)雜志》，”劉靜說。
這種電子打印方式引入了氣流控制下的液態(tài)金屬噴墨原理，金屬微滴表層在飛行過程中完成氧化，因而易于附著到紙張、塑料、砂紙、墻壁、玻璃、布料乃至樹葉等基底表面上，由此使得“繪制”電路一定程度上不再受到材質(zhì)的限制。經(jīng)過反復(fù)測試，這種方法制作的電路板導(dǎo)電性、可靠性非常不錯(cuò)。
要知道，印刷電路板能讓功能器件迷你化、直觀化，是電子工業(yè)的重要支撐，手機(jī)、電腦等和人們息息相關(guān)的電子設(shè)備都離不開它。但其傳統(tǒng)的制造流程需要經(jīng)過電鍍、蝕刻等步驟，具有高能耗、高污染、耗時(shí)等缺點(diǎn)，而且很難適應(yīng)各種不加限制的表面。
但采用液態(tài)金屬噴墨電子打印方法，上述局限可得到良好克服。形象地說，樹葉也可變身電路板，這就大大拓展了傳統(tǒng)電子工程學(xué)的范疇，為十分廣闊的電子電路應(yīng)用開啟了新的可能。
這項(xiàng)成果實(shí)際上得益于長期積累。早在10多年前，劉靜團(tuán)隊(duì)就圍繞國內(nèi)外均鮮為人知的室溫金屬流體研究打起了攻堅(jiān)戰(zhàn)。近年來，他們又提出了有望改變傳統(tǒng)電子電路制造規(guī)則的室溫液態(tài)金屬印刷電子學(xué)方法。
通過反復(fù)試驗(yàn)、比對(duì)，他們成功配制了能在室溫下流動(dòng)的、以金屬鎵為主要成分的合金組合，并將其作為“墨水”用在了制作電路板方面，而在對(duì)應(yīng)的基底材料上則探索了多種材料的可打印性。
盡管印刷電子學(xué)已興起數(shù)年，但為了讓印上去的“墨水”導(dǎo)電，通常需要用導(dǎo)電聚合物，或是添加納米顆粒材料，借由高溫固化或特定化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。
搞定“桀驁不馴”的金屬“墨水”
“起初我們遭遇了許多困難。”劉靜說，首當(dāng)其沖的便是液態(tài)金屬如何能穩(wěn)定地附著在各種基底上。由于液態(tài)金屬的表面張力太大，落在基底上之后就像水珠一樣任性地滾來滾去，難以黏附和封裝。
為此，劉靜團(tuán)隊(duì)做了很多功課，通過一次次試驗(yàn)將液態(tài)金屬“桀驁不馴的性格”逐步穩(wěn)定了下來。他們配置了多種金屬組合的“墨水”，有半液態(tài)的、有純流體的。
他們還專門設(shè)計(jì)了可與“墨水”搭配的封裝材料，這種材料起初呈液態(tài)，一旦碰到水分或溫度升高便能逐漸固化。在打印電路板的同時(shí)，封裝材料也由打印機(jī)同步噴射到電路之上，并固化成型，由此保障了柔性的電路不會(huì)因外力的干擾而散亂。
劉靜談到，在“墨水”被噴射到基底表面之前，會(huì)經(jīng)由高速氣流將其打散成十分微小的顆粒，甚至達(dá)到微米級(jí)別。但是氣流大小的控制確實(shí)是個(gè)難題，試驗(yàn)初期，常常遇到“墨水”噴不出來，或是一噴出來就形成一堆堆像是泥漿的材料。
同時(shí)，他們對(duì)“墨水”的成分作了調(diào)整，借由氧化機(jī)制，使其被噴射出的瞬間就完成氧化，從而能更牢固地附著于基底之上，而導(dǎo)電性能則不受到明顯影響。或許是承載了劉靜團(tuán)隊(duì)夢想的緣故，該技術(shù)的英文名被縮寫為dreamink（夢之墨）。
為了確保高精度，劉靜團(tuán)隊(duì)此前還提出了多孔芯體打印技術(shù)，并依托商用設(shè)備研發(fā)了專用于液態(tài)金屬的桌面式3d打印系統(tǒng)原型機(jī)，相關(guān)文章發(fā)表在了自然出版集團(tuán)系列期刊《科學(xué)報(bào)告》上。
diy電子電路不會(huì)遙遠(yuǎn)
在劉靜看來，一旦紙張乃至大千世界中更廣意義上的固體表面作為電子元件的載體，將會(huì)開辟出一片全新天地。
事實(shí)上，讓劉靜樂此不疲的動(dòng)力還在于，這一技術(shù)或許可讓電子器件個(gè)性化制造成為流行態(tài)勢。“3d打印滿足了個(gè)性化制造的需求，因而引起全球重視，但未來的3d打印肯定不會(huì)像現(xiàn)在這般僅僅是結(jié)構(gòu)的成型上，一定是能按照用戶自身需求，打印出具備功能的器件。這方面，液態(tài)金屬打印技術(shù)已為此帶來變革。”
個(gè)性化的電路設(shè)計(jì)，在創(chuàng)意設(shè)計(jì)、文化產(chǎn)業(yè)等方面會(huì)有很大的市場空間。比如創(chuàng)客，這一人群善于將創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
“可以想象，創(chuàng)客們掌握了普適電子打印這樣的技術(shù)之后，在創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)方面將能發(fā)揮出更大的潛力。”劉靜舉例說，比如戶外建筑甚至是道路、橋梁上的廣告或指示牌，不再需要成本高昂的液晶顯示屏，而是直接噴印上需要展現(xiàn)的圖案電路，配合打印的光伏電池和led燈便能以一種新潮的方式呈現(xiàn)，而且不用接通電線，拆除也方便。
對(duì)于普通人而言，自己制作電子賀卡也不再是件難事。劉靜表示，他們今后也會(huì)研發(fā)與此相關(guān)的應(yīng)用程序，用戶只需從網(wǎng)上下載應(yīng)用，傳送到3d打印機(jī)，便能diy自己想做的電子器件，“就像用手機(jī)從應(yīng)用市場下載微信一樣便捷”。
當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的應(yīng)用，尚須解決的問題還很多。比如金屬“墨水”的組合就很多，以確保各種復(fù)雜功能。為此，劉靜團(tuán)隊(duì)提出了“液態(tài)金屬基因組學(xué)”的概念，旨在建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建不同組合的液態(tài)金屬分別具備的功能和特性。
另外，硬件設(shè)備方面也會(huì)是瓶頸之一。桌面打印設(shè)備的自動(dòng)化水平、適用面是否廣泛、成本的控制等問題都需要解決，這樣才有可能讓普通人有使用欲。
針對(duì)液態(tài)金屬噴墨打印技術(shù)，《技術(shù)評(píng)論》的結(jié)論是：“此項(xiàng)技術(shù)眾多優(yōu)勢中最令人興奮的是其低價(jià)性和簡潔性，毫無疑問它會(huì)被非常迅速地推進(jìn)到市場。”
劉靜表示：“我們的創(chuàng)新動(dòng)力，來源于技術(shù)一定要?jiǎng)?chuàng)造和滿足人的需求。如果有一項(xiàng)成果能讓多數(shù)人的生活變得更豐富和有趣，那對(duì)研發(fā)者而言將是一件多么幸福的事。”
原標(biāo)題《金屬為“墨”：可在任意表面繪制電路》
可以說，液態(tài)金屬印刷電子學(xué)方法將印刷電子向前推進(jìn)了一大步。其基本主張便是：將液態(tài)金屬作為“墨水”，直接打印形成電路。
