液态金属喷墨电子打印技术：任意表面绘制电路

　　试想，在无论是光滑、粗糙、高低起伏乃至方位各异的任意表面上自由地打印电路会是一种什么情形？最近，我国科学家围绕普适电子打印技术取得的一项重要进展，经麻省理工学院《技术评论》报道后，在国际上引起较大反响。
　　
　　带着好奇，记者于12月3日来到这一技术的诞生地——中国科学院理化技术研究所（以下简称“理化所”）低温生物与医学实验室，看到了一系列在不同材质基底上由银色液体构成的电路图案。
　　
　　这可不是艺术创作。当工作人员将一小块led灯嵌入到图案上，再连接电池之后，led灯明亮起来。这块随意“画”出的电路板，得益于该实验室负责人刘静及其团队的创新成果——液态金属喷墨电子打印技术。最近，他们正在研发计算机控制下的可在各种表面上绘制电路的3d打印系统，试图让这一技术更加亲民。
　　
　　“液态金属喷墨”推进普适电子打印
　　
　　“我们的这项研究最初公布在物理学预印本网站arxiv上，正式论文将发表于美国《应用物理学杂志》，”刘静说。
　　
　　这种电子打印方式引入了气流控制下的液态金属喷墨原理，金属微滴表层在飞行过程中完成氧化，因而易于附着到纸张、塑料、砂纸、墙壁、玻璃、布料乃至树叶等基底表面上，由此使得“绘制”电路一定程度上不再受到材质的限制。经过反复测试，这种方法制作的电路板导电性、可靠性非常不错。
　　
　　要知道，印刷电路板能让功能器件迷你化、直观化，是电子工业的重要支撑，手机、电脑等和人们息息相关的电子设备都离不开它。但其传统的制造流程需要经过电镀、蚀刻等步骤，具有高能耗、高污染、耗时等缺点，而且很难适应各种不加限制的表面。
　　
　　但采用液态金属喷墨电子打印方法，上述局限可得到良好克服。形象地说，树叶也可变身电路板，这就大大拓展了传统电子工程学的范畴，为十分广阔的电子电路应用开启了新的可能。
　　
　　这项成果实际上得益于长期积累。早在10多年前，刘静团队就围绕国内外均鲜为人知的室温金属流体研究打起了攻坚战。近年来，他们又提出了有望改变传统电子电路制造规则的室温液态金属印刷电子学方法。
　　
　　通过反复试验、比对，他们成功配制了能在室温下流动的、以金属镓为主要成分的合金组合，并将其作为“墨水”用在了制作电路板方面，而在对应的基底材料上则探索了多种材料的可打印性。
　　
　　尽管印刷电子学已兴起数年，但为了让印上去的“墨水”导电，通常需要用导电聚合物，或是添加纳米颗粒材料，借由高温固化或特定化学反应来实现。
　　
　　可以说，液态金属印刷电子学方法将印刷电子向前推进了一大步。其基本主张便是：将液态金属作为“墨水”，直接打印形成电路。

　　搞定“桀骜不驯”的金属“墨水”
　　
　　“起初我们遭遇了许多困难。”刘静说，首当其冲的便是液态金属如何能稳定地附着在各种基底上。由于液态金属的表面张力太大，落在基底上之后就像水珠一样任性地滚来滚去，难以黏附和封装。
　　
　　为此，刘静团队做了很多功课，通过一次次试验将液态金属“桀骜不驯的性格”逐步稳定了下来。他们配置了多种金属组合的“墨水”，有半液态的、有纯流体的。
　　
　　他们还专门设计了可与“墨水”搭配的封装材料，这种材料起初呈液态，一旦碰到水分或温度升高便能逐渐固化。在打印电路板的同时，封装材料也由打印机同步喷射到电路之上，并固化成型，由此保障了柔性的电路不会因外力的干扰而散乱。
　　
　　刘静谈到，在“墨水”被喷射到基底表面之前，会经由高速气流将其打散成十分微小的颗粒，甚至达到微米级别。但是气流大小的控制确实是个难题，试验初期，常常遇到“墨水”喷不出来，或是一喷出来就形成一堆堆像是泥浆的材料。
　　
　　同时，他们对“墨水”的成分作了调整，借由氧化机制，使其被喷射出的瞬间就完成氧化，从而能更牢固地附着于基底之上，而导电性能则不受到明显影响。或许是承载了刘静团队梦想的缘故，该技术的英文名被缩写为dreamink（梦之墨）。
　　
　　为了确保高精度，刘静团队此前还提出了多孔芯体打印技术，并依托商用设备研发了专用于液态金属的桌面式3d打印系统原型机，相关文章发表在了自然出版集团系列期刊《科学报告》上。
　　
　　diy电子电路不会遥远
　　
　　在刘静看来，一旦纸张乃至大千世界中更广意义上的固体表面作为电子元件的载体，将会开辟出一片全新天地。
　　
　　事实上，让刘静乐此不疲的动力还在于，这一技术或许可让电子器件个性化制造成为流行态势。“3d打印满足了个性化制造的需求，因而引起全球重视，但未来的3d打印肯定不会像现在这般仅仅是结构的成型上，一定是能按照用户自身需求，打印出具备功能的器件。这方面，液态金属打印技术已为此带来变革。”
　　
　　个性化的电路设计，在创意设计、文化产业等方面会有很大的市场空间。比如创客，这一人群善于将创意变为现实。
　　
　　“可以想象，创客们掌握了普适电子打印这样的技术之后，在创意产业方面将能发挥出更大的潜力。”刘静举例说，比如户外建筑甚至是道路、桥梁上的广告或指示牌，不再需要成本高昂的液晶显示屏，而是直接喷印上需要展现的图案电路，配合打印的光伏电池和led灯便能以一种新潮的方式呈现，而且不用接通电线，拆除也方便。
　　
　　对于普通人而言，自己制作电子贺卡也不再是件难事。刘静表示，他们今后也会研发与此相关的应用程序，用户只需从网上下载应用，传送到3d打印机，便能diy自己想做的电子器件，“就像用手机从应用市场下载微信一样便捷”。
　　
　　当然，要实现个性化的应用，尚须解决的问题还很多。比如金属“墨水”的组合就很多，以确保各种复杂功能。为此，刘静团队提出了“液态金属基因组学”的概念，旨在建立一个数据库，构建不同组合的液态金属分别具备的功能和特性。
　　
　　另外，硬件设备方面也会是瓶颈之一。桌面打印设备的自动化水平、适用面是否广泛、成本的控制等问题都需要解决，这样才有可能让普通人有使用欲。
　　
　　针对液态金属喷墨打印技术，《技术评论》的结论是：“此项技术众多优势中最令人兴奋的是其低价性和简洁性，毫无疑问它会被非常迅速地推进到市场。”
　　
　　刘静表示：“我们的创新动力，来源于技术一定要创造和满足人的需求。如果有一项成果能让多数人的生活变得更丰富和有趣，那对研发者而言将是一件多么幸福的事。”