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2020-03-26 10:49
纳米印刷出的智能世界,未来手机电脑都能穿身上

题图来自IC photo,本文来自微信公众号:CC讲坛(ID:ccjt2014),主讲人:宋延林 中国科学院化学研究所研究员博士生导师绿色印刷重点实验室主任


我们知道在自然界中有很多有趣的现象,比如说:荷叶可以出淤泥而不染。科学家经过研究发现,荷叶的这种特性跟表面纳微米结构有关系。





再举一个例子:壁虎能够飞檐走壁。科学家也是发现在壁虎的脚掌上面有精细的结构,精细的纳米和微米的结构组合,造成它能够黏附在很多物体光滑的表面。



今天结合这两个例子,一个是表面亲水和疏水的效应,一个是黏附作用,对我们熟悉的印刷术会产生什么样的关系。



说起印刷术大家很熟悉,这也是我们中国人觉得自豪的一件事情。从活字印刷到激光照排,我们迎来了印刷技术的两次大的飞跃,这两次技术的变化,实际上也是代表这两个不同原理的一次大的变革。


活字印刷是基于物理成像,物理成像就是基于物体的凹凸结构,凸起来的是文字,凹进去的是空白。激光照排代表着化学成像阶段,基于感光化学和感光材料的发展才出来。




这两个技术共性特征就是减法,我们要刻一个字,把不需要的地方刻掉,通过一个激光照排做一张印版,需要通过曝光的方式,把不需要的感光层给腐蚀掉。这种减法的过程实际上就是一个材料浪费的过程,材料浪费就会形成污染,我们有没有可能改变这个过程。把纳米材料跟两个相关的特性、跟印刷的需求结合起来。大家看一下右下角,这是激光照牌制造过程。



从这个过程看,看起来很像传统胶卷照相的过程,感光和冲洗的过程会造成非常大的污染,我们想了一个办法,我们直接基于刚才讲的纳米材料对表面亲水、亲油性的控制,可以直接在一个亲水的版上打出一个亲油的图案,这个图案就能够粘附油墨, 空白的亲水的地方就不沾油墨,这样是不是就直接可以上去印刷了,想起来道理很简单,但是这是国际性的挑战。


为什么呢?首先图文区和空白区反差够不够大,就是亲水和亲油性的反差如果不够大的话,印刷上就会造成糊板,这个就像我们第一个例子一样,必须靠纳米结构来解决这个问题。


第二个普通的墨水打到印板上以后很快就会磨掉,印报纸要印到十万份,怎么解决这个问题,我们用一个纳米颗粒符合增强的技术。


原理也很简单,就像我们铺柏油马路,要提高它的耐磨性,光有沥青是不够的还需要掺石子。在我们技术里面,石子的颗粒必须小到纳米尺度,就是几百个纳米以下,这样才能保证我在打印过程中它的流畅性,可以从根本上解决目前感光成像印刷出版技术的缺陷。


但是印版做出来以后,送到印刷车间,我们都知道要用油墨,为什么叫油墨?这个油不是我们食用油,它是一种有机溶剂,也就会产生我们所说的VOC的排放,特别会使用了一些甲苯类的溶剂,会严重影响我们的健康,那为什么不能用水性的墨去印刷这种塑料的包装呢?比如说锅巴、火锅底料,这都是和我们食品安全息息相关的,实际上这又是一个国际难题。



水性墨大家知道在塑料上由于表面不一样,是非常难黏附的,这个问题怎么解决?我们也是靠纳米材料去解决的,经过努力用水性墨在塑料上面印出精美的图案,这样根本上解决了印刷过程中制版的污染和后边印刷车间油墨的VOC排放的问题。


把这个技术再进一步往下发展,把印刷技术和新材料的技术结合起来,可以改变很多传统体量非常大、但是污染和消耗非常严重产业的生产的方式。



比如说我们印染中国应该是世界第一的产量,但是污染大家也知道是非常严重的,我们把印染的颜料、染料做成墨水,通过打印的方式,可以在不同的材料上面,比如说棉布、化纤、丝绸。这些不同的材料,实际上表面差别非常大的,你能在丝绸上打印好,但是在化纤上打印不好,怎么控制这个问题,就是靠纳米材料去解决表面能的匹配的问题。


更大的意义上是我们通过先进的材料技术的进步和印刷技术的结合和打印技术的结合。我们都可以从根本上解决传统的印刷、印染、包括建筑材料的高能耗、高污染的问题。我们把这个技术再扩展一下,跟印刷相关的还有什么污染的问题?


我们可以通过新的纳米材料为代表的新技术的进步,能够从根本上得到解决。我们很快就会想到染料、颜料,染料、颜料生产的过程是非常污染的过程,而使用的过程也会消耗大量的洁净水,我们国家占全世界染料生产60%,我们为全世界的美丽付出了巨大的环境的代价,但是没有人感谢我们。



我们怎么通过中国科研的技术进步解决这个问题?我们开始从自然界中学习。


大家看这个图片,这种漂亮的宝石,蝴蝶的翅膀和孔雀的羽毛,它的颜色不是染料产生的,而是另一种原理,我们叫结构色彩,因为纳米尺寸结构,规整的结构跟可见光的波长匹配的时候,它会产生这种特殊的颜色。


这种特殊的颜色就完全没有色素的影响,也就是说是一种非常环保的成色的体系,当然这种材料更重要的意义叫光学的半导体,在将来光学器件的发展过程中,它像半导体对电子工业的意义一样,是一种基础性的材料。这么重要的材料,全世界科学家都在研究。


我个人认为,谁能把它变成批量化、工业化生产,这也是全世界的挑战。科学家总是在实验室里边做出非常小量的东西去写论文,但是应用的时候就要很难,谁能大量做、低成本做,这个也是非常难的事情,好在我们把它解决了。


我们靠什么解决,合成不同的纳米颗粒,控制纳米颗粒的尺寸,可以得到不同的颜色,这种颜色就可以不会褪色,光泽也非常好,而且成色的效果,可以看不同的角度,可以得到不同颜色的效果。



我这有一张样品,从不同的角度看,实际上这个颜色是有变化的,是非常漂亮的。将来我们跟3D打印技术结合起来,这个成色效果跟宝石是一样的,我们跟3D打印技术结合起来,把这个做成墨水。爱漂亮的女士想做一个什么样的首饰,自己在电脑上设计形状,通过买墨水回去自己打印。


这个事情解决以后,其实更重要的意义,是能够提供一种新型的智能化包装的材料,你们可以从一些著名化妆品包装上面能看到我们的技术和产品,大家看非常漂亮的,用非金属做出金属色,用无色的原料做成彩色出来,像宝石一样绚烂。



另外它还有一种新的功能,比如像右下角,可以对环境温度、湿度做出反应,女士用什么样的化妆品,天气干燥或者湿润的时候,用多大量也会通过颜色来告诉你。温度高或者低,你用什么样的化妆品,它也会通过颜色来告诉你,它给我们整个感受是非常人性化、智能化的进步。


刚才介绍了这么多,把纳米材料和印刷技术结合起来,可以对非常重要的传统行业有根本性的变化,现在都说进入了信息社会,我们靠网络,纳米技术在这个领域能够发挥什么作用?在信息技术里面有一个基本的单元,我们叫印刷电路板。为什么叫印刷电路板呢?我们刚才介绍的印刷制版的过程几乎和印刷电路板的制造过程几乎是一样的,也就是说电路是一个什么样的图形,先曝光在一个感光胶片上,这个感光胶片再蒙到一个薄的铜板上面去,经给曝光刻蚀,留下的铜线是我们需要的。


大家想想一张铜板,80%以上的铜被腐蚀掉,腐蚀掉以后就排到地下,我们中国又是世界第一产量。每年排的铜还有其他的超过十几万吨,我们为环境的代价有,以至于影响我们的食物链,我们很多地方的大米重金属严重超标。我们怎么通过技术的进步解决这个问题?


我们可以把金银铜的金属做成纳米颗粒,做成导电的油墨,通过打印,通过印刷形成电路,是不是能实现。



我们打印出一条线,就可以当电线用,就可以代亮LED灯泡,在去年刚刚开过的APEC期间中,我们享受了APEC蓝,我们也是做出来贡献。会场六个门卡都是按照我们的技术,里边所有电线和电路都是通过我们的纳米银和绿色印刷技术建造出来,这是中国的科学家对技术的进步做出的贡献。


这么好的事情为什么我们能够做出来,为什么没有早一点把它做出来,实际上它是一个涉及到非常多国际性的科学和技术的难题。简单讲一个例子,就是著名的咖啡环效应,一滴咖啡在固体表面干的过程中会扩散、会形成一个空心的环,大家可能有这种感性的认识,这是整个搞化学,特别跟印刷技术相关的一个国际性的难题,如果这个问题不解决,你印刷的精度就不能控制,刚才说打印电路都是空心的环,导电性怎么保证?这个问题困扰了我们很多年,这个问题很难,但是我们把它解决了。


对于科研人来讲,最大的成就感就是这句话:这件事很难,我们把它做好了。


我们可以通过一个商用的打印机,他的喷孔是25微米,大家会想到25微米喷孔打印的墨点应该比25微米更大,但是我们可以打出缩小一个数量级的墨点。


这个墨点上面纳米颗粒是精密堆积的结构,这样就从根本上解决了咖啡环效应。这样可以保证我们大大提高印刷的精度,可以改善我们印刷电路的导电性。对于科研人员来讲,还有一个挑战?你能不能把这个事情做到极致,让别人都承认你是世界第一。



怎么样能做到世界第一呢?就是说你打印一个墨滴只含一个纳米颗粒,我想要一个有一个,想要两个有两个,一二三四五(35.57, 3.23, 9.99%),我们在这方面是走在世界最前列的,这个问题怎么解决?




还是通过纳米材料界面效应,是这样铺展、蒸发、缩小,咖啡环效应不可避免,我们现在怎么样,通过纳米界面材料的应用,让它干燥、收缩,干燥,所以我们能够做到世界上最小的墨点,而且有一个更大的梦想,我们中国人去书写现代的绿色印刷的三定律,就像牛顿经典三定律对经典力学的奠基作用一样,我们要做世界上最小的一点,最细的线,最平的面,点线面都能做到世界最好,那你的印刷技术一定是世界最好。


在这个过程中,我们要提出三个公式,我们叫第一定律,第二定律,第三定律,我们不同的博士生分别致力于这个工作。非常难,但是我们要把它做好。



这些基础问题解决后,我们可以做很多事情,我们可以通过印刷的方式做触摸屏,现在的触摸屏也是基于导电玻璃的一个蚀刻的技术,就是80%以上的材料是浪费的,那我们可以通过印刷的方式做触摸屏。


这个已经实现了,那我们还可以更进一步,刚刚说了普通的印刷只能印到几十个微米,我们可以印到几十个纳米左右,这样的技术达到我们做硬件最高的技术,芯片加工核心的技术。我们在硅片上加工成纳米尺度的这种线宽的线路直接可以达到目前最高精度的电路的细度,这是一个标志性的技术。


在发表文章之前,首先申请了三项国际标准,这也对我们将来印刷技术芯片加工产业提供了可能性。



我们还可以做电路板,可以做芯片,我们还可以做更高性能的显示器,我们知道,现在液晶显示的方式,有它本质上的一些缺陷,我们看不同的角度,它的颜色、亮度会有偏差,甚至到一定角度,看起来整个是黑屏的,这是跟它成像原理有关系。



我们怎么样解决,把纳米材料和印刷技术结合,大家看ICCAS是中国科学院化学院研究所的缩写,从5°角看,颜色和亮度是一样的,这个意义在哪儿,将来我们发展柔性显示,一定要变角度,可弯曲,从不同角度看,如果颜色和亮度产生偏差,成像是没法保证的,我们实际上解决了最关键的基础问题。



对我们中国发展这方面的产业提供了自主知识产权。还可以把印刷技术发展到生物芯片上,大家看沙漠中生活着一种甲虫,它能够活下去,就是靠着每天早晨有一个小时多有湿润的空气,把这个湿润空气凝结到背上,它是一个疏水的背,上面有亲水的点,这种雾滴凝结在亲水点上面去。


我们把这个原理利用起来,可以做出一种高灵敏度检测的生物芯片,在一个疏水的器材上,打出亲水的检测的斑点,这种非常微量的血样就可以富集到要检测的区域,也就是亲水区,跟刚才的我们打印的印版原理完全一样,只是材料相反,这样可以把检测的灵敏度提高一个数量级以上。不管你是SARS病毒、艾滋病毒,我们都可以在更早的时候能够发现。



我们想象一下,我们把所有的东西都集成在服装上边,所有的信息交换处理,以及甚至能源,我们穿的衣服,都完全可以解决,这也是我们人类未来发展的梦想。


而我们中国的科学家将起到非常关键的作用,也许将来有一天我们中国人再次因为我们的印刷术感到自豪,再次为世界绿色经济的发展,贡献来自我们中国的力量。



本文来自微信公众号:CC讲坛(ID:ccjt2014),主讲人:宋延林 中国科学院化学研究所研究员博士生导师绿色印刷重点实验室主任


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