經(jīng)數(shù)年時間從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用層面的持續(xù)推進，由劉靜研究員帶領(lǐng)的中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所科研團隊在印刷電子學(xué)領(lǐng)域取得技術(shù)突破，研發(fā)出世界首臺全自動液態(tài)金屬個人電子電路打印機。其中，部分基礎(chǔ)成果于近日發(fā)表于Nature出版集團旗下期刊Scientific Reports上。

迄今為止，傳統(tǒng)電子電路的制造仍是一個耗時、耗材、耗能且會造成潛在環(huán)境污染的復(fù)雜工藝過程，大多只能在設(shè)備齊全、投資大的工廠進行。隨時隨地實現(xiàn)電子電路的直接打印是全球科學(xué)界與工業(yè)界的一個夢想，但存在巨大挑戰(zhàn)，其中既有設(shè)備硬件的限制，也有來自高性能電子墨水的因素，更受到固有理論框架的制約。

液態(tài)金屬打印機的發(fā)明和問世，在技術(shù)理念上完全改變了傳統(tǒng)模式，打破了個人電子制造的技術(shù)瓶頸和壁壘，使得在極低成本下快速、隨意地制作電子電路成為現(xiàn)實。應(yīng)用該設(shè)備，即使沒有任何電子學(xué)經(jīng)驗的個人甚至孩童也能通過電腦操控，短時內(nèi)即可直接打印出從網(wǎng)上訂制的電路圖案并制作出自己的終端功能器件，一定程度上實現(xiàn)了電子硬件的直接下載。

液態(tài)金屬個人電子電路打印機外觀、設(shè)計圖及其復(fù)合式墨水驅(qū)動機理流場模擬情況

在Scientific Reports這篇題為Personal Electronics Printing via Tapping Mode Composite Liquid Metal Ink Delivery and Adhesion Mechanism 的論文中，研究小組攻克了制約液態(tài)金屬打印技術(shù)在通向?qū)嵱没缆分械囊幌盗嘘P(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題，首次建立了一種全新原理的室溫液態(tài)金屬打印方法，通過集合了上下敲擊式進墨、旋轉(zhuǎn)及平動輸運、轉(zhuǎn)印乃至壓印黏附到基底等復(fù)合過程在內(nèi)的流體輸運方式，解決了金屬墨水表面張力高難以通過常規(guī)方法平穩(wěn)驅(qū)動的難題，其中的印刷失穩(wěn)機理也得以初步揭示，所獲得的高度均一的打印精度和質(zhì)量，已能滿足當(dāng)前大多數(shù)印刷電路板（PCB）的要求。最為關(guān)鍵的是，這一電子電路打印機已具有很高的性價比，批量制造后其成本將處于個人可承受范圍內(nèi)，這預(yù)示著電子制造正在步入平民化進程。為展示這一全新技術(shù)在廣泛領(lǐng)域的價值，研究小組還探明了液態(tài)金屬電子打印機在近10個方向上的開拓性應(yīng)用，如復(fù)雜大面積柔性PCB、電學(xué)傳感器、電子藝術(shù)、電子裝飾、電子化建筑設(shè)計、人物肖像、電路單元、電子賀卡、電子圖案乃至功能電子器件等的即時打印和制作。這種立等可取的個性化電子制造模式除了將對傳統(tǒng)電子工程學(xué)帶來觀念性變革外，也將為科學(xué)與藝術(shù)、人文、教育、文化創(chuàng)意等的交叉融合創(chuàng)造全新的機遇。

由液態(tài)金屬打印機打印并制作的柔性電路板及帶光電功能的圣誕電子賀卡

以上成果的取得是理化所團隊在長期實踐中不斷探索的結(jié)果。此前，為實現(xiàn)液態(tài)金屬的全自動打印并發(fā)展具有普適意義的電子打印機，研究小組幾乎窮盡了各種可能的打印原理如氣壓驅(qū)動、微接觸印刷、絲網(wǎng)印刷、卷對卷印刷、熱泡噴墨驅(qū)動、激光打印等，但所形成的機構(gòu)或是無法驅(qū)動金屬墨水，或是自動化程度不高，或是整套打印設(shè)備成本過于高昂而無法進入千家萬戶。正是基于對液態(tài)金屬驅(qū)動機理的系統(tǒng)探索和反復(fù)嘗試，融合了輕敲、旋轉(zhuǎn)、壓印等輸運機理在內(nèi)的復(fù)合式液態(tài)金屬打印方法得以建立。

液態(tài)金屬印刷電子學(xué)是嶄新的學(xué)科前沿，由劉靜集合10余年來在液態(tài)金屬領(lǐng)域的長期積累于國內(nèi)外首次提出。為建立相應(yīng)的理論與制造技術(shù)體系，團隊圍繞這一領(lǐng)域的基礎(chǔ)和應(yīng)用問題開展了大量深入細(xì)致的探索。2013年取得了一系列代表性工作：紙上印刷電路及液態(tài)金屬3D打印技術(shù)、“夢之墨”技術(shù)、皮膚電路直接繪制技術(shù)、可植入式醫(yī)療電子在體3D打印、液態(tài)金屬電子手寫筆以及可在任意表面制造電路的霧化打印方法等，這些技術(shù)均因其開拓性在國際上產(chǎn)生較大反響，相繼為眾多知名科學(xué)媒體或刊物如MIT Technology Review， Chemistry World， Nature Asia， IEEE Spectrum， National Geographic Daily News， CCTV，《中國科學(xué)報》、《人民日報》等廣泛評介，相應(yīng)技術(shù)還受到眾多國際、國內(nèi)知名電子制造商的青睞。為適應(yīng)未來對金屬墨水日益增長的需求，研究小組還原創(chuàng)性地提出了旨在發(fā)現(xiàn)系列新型功能電子墨水的液態(tài)金屬材料基因組研究計劃，以推動這一領(lǐng)域的發(fā)展。

打印機打印出的電子化建筑結(jié)構(gòu)圖案（左：北京天壇；右：華盛頓白宮）

此次實用化全自動液態(tài)金屬打印機的成功研制，開啟了全新的電子電路制造模式。相應(yīng)技術(shù)易于普及到家庭、辦公室、學(xué)校、工廠乃至工業(yè)設(shè)計、藝術(shù)探索、文化創(chuàng)意等應(yīng)用領(lǐng)域，是極具普適性和基礎(chǔ)性的電子制造工具。