家里的一根電路斷了，不需要找專業(yè)的電工上門修理，只需用筆“畫”一下，就完成了接駁；用特殊墨水在手工制作的賀卡上“畫”出一個(gè)心形圖案、在圖案中接上幾個(gè)小led燈，一個(gè)閃耀著心形圖案的電子賀卡就做好了。近日，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所、清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系雙聘教授劉靜帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，在印刷電子學(xué)領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。利用該團(tuán)隊(duì)研制的“金屬墨水”，電路可以這樣隨心所欲地“打印”出來、“畫”下來了。
電路板輕松“畫”出來
走進(jìn)位于中關(guān)村東路的中科院理化所實(shí)驗(yàn)室，一塊透明塑料薄板上閃耀著的銀色圖案，在入窗陽光的照耀下閃動(dòng)。湊上前一看，原來塑料薄板上竟然有一幅銀色彩筆繪出的鳳凰圖案，線條細(xì)膩流暢，奪目動(dòng)人。
中科院理化所的實(shí)驗(yàn)室里，還有人搞藝術(shù)創(chuàng)作？
“這銀色的線條可不是普通彩筆畫出來的，是我們用液體金屬墨水畫上去的。”劉靜笑了笑。在鳳凰圖案的兩端接上電池，鳳凰身上半個(gè)指甲蓋大小的led燈竟然就閃耀了起來。
劉靜介紹，這銀色墨水可以直接導(dǎo)電，用它畫出來的銀色圖案連接上電源、led燈，就已經(jīng)是一塊簡(jiǎn)易的電路板了。
要知道，傳統(tǒng)金屬箔蝕刻法制造電路板，需要經(jīng)過高溫銅膜蒸鍍、化學(xué)試劑蝕刻等好幾個(gè)復(fù)雜環(huán)節(jié)。這樣“畫”出電路板的技術(shù)，究竟是如何實(shí)現(xiàn)的呢？
劉靜向記者“秀”出了一支筆。原來，這支與普通簽字筆沒什么兩樣的筆，竟然就是“畫”出電路圖的工具。只不過，簽字筆里流出的是普通墨水，而這支筆里流出來的是金屬墨水。
10年“釀”出“金屬墨水”
電路板是電子工業(yè)的重要部件之一。小到電子手表、計(jì)算器，大到計(jì)算機(jī)、平板電腦，每種電子設(shè)備要想發(fā)揮作用，都必須用到電路板。然而，傳統(tǒng)的電路板制造流程要先設(shè)計(jì)好電路圖，然后送到工廠加工，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且還有明顯的高污染、高能耗缺點(diǎn)。
“液體金屬打印技術(shù)能夠很好的解決傳統(tǒng)制造方法的問題，電路直接‘畫’出來，不用再經(jīng)過蝕刻、蒸鍍這些高能耗的過程了。”劉靜介紹，需要什么樣的電路，直接“畫”上去、打印上就行了，傳統(tǒng)的7到8道工序一下子被縮短至2到3道，快速靈活。
這種有望重塑集成電路產(chǎn)業(yè)的墨水，全名叫基于金屬及合金墨水的手寫電子技術(shù)，又稱“夢(mèng)之墨”。10年前，劉靜意識(shí)到液態(tài)金屬研究的科學(xué)意義和重大價(jià)值，并著力開始研究。幾大箱紙質(zhì)文獻(xiàn)一一翻看、查找、復(fù)印，一種種金屬組分反復(fù)試驗(yàn)、配比，終于研究出了以鎵為主元素的合金組合，能夠在常溫下保持液態(tài)，也就是神奇的“液態(tài)金屬”。
然而，在杯子里能夠像水一樣流動(dòng)的液體金屬并不能立刻變成可書寫的金屬墨水。把墨水灌進(jìn)特制的筆中，要么壓根沒有墨水從筆尖流出，要么就是寫下的筆跡是一攤一攤的墨水堆。
“液體金屬的表面張力太大，導(dǎo)致它根本沒法像普通墨水一樣噴出來，形成字跡。”劉靜回憶，一遍遍實(shí)驗(yàn)中對(duì)液體金屬加以摸索和進(jìn)行“改性”后，團(tuán)隊(duì)才終于解決了液體金屬粘附性、流動(dòng)性等問題。
研制出“金屬墨水”3d打印機(jī)
“金屬墨水”除了能在手寫筆中自由書寫，還能灌入特制的3d打印機(jī)中，用機(jī)械方式精確地把電路設(shè)計(jì)圖打印出來，作為電路板使用。
據(jù)悉，劉靜團(tuán)隊(duì)目前已經(jīng)研制出了以液體金屬這種“金屬墨水”為原料的3d制造裝置原型及液態(tài)金屬打印機(jī)，價(jià)格與普通的激光打印設(shè)備已經(jīng)十分接近。利用這種3d打印機(jī)，人們不但可以打印平面電路，還能完成立體復(fù)雜電路及其支撐件的直接生成。相比液體金屬手寫筆可以隨意書寫的特點(diǎn)，3d打印機(jī)能夠更快地將金屬墨水應(yīng)用于電路板的批量生產(chǎn)。
“從前，3d打印機(jī)大多只能用樹脂、塑料等材料打印模型，輔助設(shè)計(jì)、生產(chǎn)外殼還行，要打印包含電子功能的復(fù)合器件可就不行了。”劉靜說，液態(tài)金屬印刷電子方法將顯著擴(kuò)展3d打印技術(shù)的應(yīng)用范圍。在不久的將來，普通人能接觸到的3d打印技術(shù)將不再是只能打印樹脂模型、塑料外殼的“花拳繡腿”，而是可以直接打印出電子賀卡、顯示器、太陽能光伏電池、計(jì)算器等電子產(chǎn)品的“馬良神筆”了。
除了應(yīng)用在電子產(chǎn)品制造領(lǐng)域，“金屬墨水”還能在更廣闊的天地發(fā)揮作用。比如若把它畫在皮膚上，就為連接電子設(shè)備、進(jìn)行人體心電信號(hào)等生理參數(shù)的測(cè)量提供很大的便利。


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