作者:冯丽妃 来源:中国科学报 www.sciencenet.cn 发布时间:2014-5-6 8:19:29
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世界首台全自动液态金属打印机:电路板上的舞蹈
 
《清明上河图》、万里长城、美国国会大厦等纵横交错、异常复杂的电路图呈现在一张张透明的胶片上,很难想象一张电路图居然也可以如此艺术。
 
■本报记者 冯丽妃
 
你是否想过自己动手“造”一台个性化电脑、一张音乐贺卡或是设计制造一块特殊电路板?不久前,中科院理化技术研究所研制的世界首台全自动液态金属个人电子电路打印机,或许能帮你实现梦想。
 
舞动的“精灵”
 
在中科院理化技术研究所低温生物与医学实验室,记者看到的这台“新概念”打印机颇有些“其貌不扬”,外观呈长方体,透亮的黑色塑料材质倒是给它增添了几分精神。不过,这个貌不惊人的家伙其实很“内秀”。
 
在它的身旁,《清明上河图》、万里长城、美国国会大厦等各种纵横交错、异常复杂的电路图呈现在一张张透明的胶片上,很难想象一张电路图居然也可以如此艺术。而这些精致的电路图就都出自其手。
 
“只要在电脑上轻触设计好的电路图,它就可以像舞动的‘精灵’一样,把电路图打印在透明胶片上,等金属液凝固或封装后,你梦想的电路就会变成现实。”该实验室主任、液态金属打印机的发明者刘静形象地向《中国科学报》记者介绍。
 
随时随地实现电子电路的直接打印是全球科学界与工业界的梦想,但受限于技术瓶颈,迄今为止大多数电子电路制造只能在设备齐全的大工厂进行。而这台打印机的发明和问世,将颠覆人们对传统制造的认知,开启全新的电子电路制造模式。
 
“只要给打印出的各种电路图加上几个IC,通电后就可以直接使用。”课题组的研究生杨俊拿来一块打印好的巴掌大小的电路图,只见上面接了几个小芯片和几根电线,就构成了一个简易的调频收音机。
 
一反传统电子电路制造耗时、耗材、耗能等特点,刘静说,这种打印机十几分钟就可以完成传统上程序烦琐的工作,使低成本、快速、个性化电子电路制作成为现实。正因如此,这台打印机相关的部分基础研究成果不久前在自然出版集团旗下期刊《科学报告》发表。
 
“瓜熟蒂落”源于积累
 
事实上,这并非刘静课题组制作出的第一台液态金属打印机。一年前,刘静所带领的团队就因为发明了可在任意表面制造电路的液态金属喷墨电子打印机而轰动一时。
 
“与上次不同的是,这台机器的最大特点是全自动化,即使没有任何电子学经验的人甚至孩童也能通过电脑操控它。”刘静说。这台极具普适性和基础性的电子制造工具承载着刘静等人多年的技术创新积淀。
 
很多看过这些银光闪闪、宛若游龙的电路图的人都误以为这些电路材料只是普通的“银浆”,但其实这些合金线路的导电性却是传统银浆的100倍,且弯折后不会出现传统电子墨水那样的断路问题。
 
为了得到室温下可以流动且具有良好黏附性的金属,课题组穷尽了各种办法,最终找到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。由此,刘静和课题组走出了全球液态金属打印的第一步,他们给这项技术起了一个富有诗意的名字——“梦之墨”;而此后研制出的液态金属打印机也被冠以“梦之墨”打印机之称。
 
然而,新的问题又接踵而至。如何让黏度高、表面张力大的液态金属从笔中流出来?如何让到处滚动的金属液滴在基底材料上牢固黏着?对此,课题组又展开了新一轮的攻关。最终,他们通过大气挤压、撞击以及对流体实施改性等方式悉数解决了以上问题。
 
做“完美”科学
 
“能做出这样的机器,一定要有前瞻性的眼光,刘老师的想法一直都很超前。”该论文第一作者、颇有些腼腆的研究生郑义对记者说。
 
其实,在刘静心中有个关于“完美科学”的定义。它有两个条件,即发现新知识、创造新技术。在他看来,前沿研究与应用实践两者相辅相成,前者是创新的基石,否则单一急功近利地追求眼前的应用,这样的科学发展“不会旺盛”。
 
而“梦之墨”打印机正是基础研究与应用探索的完美结合。业界认为,它已经打开了个人电子电路制作的大门,完成了私人电路定制从无到有的过程,是引领集成电路产业转型的革命性技术。
 
它可以应用于教育、科研、军事等各类军民用电路制作领域,还可以让私人电路定制真正走入寻常百姓家。如打印出无线心电测量器件,给心电信号以及生物电阻抗等生理参数的测量提供方便。同时,它还可以推动电路设计、终端功能器件制作等相关产业大力发展。
 
刘静表示,课题组将进一步开发新的应用,如研制更多的液态金属功能墨水以及基底打印材料;在工艺上实现从单层板到多层板的层叠打印,乃至结合P形、N性半导体墨水材料进行复合式全电子元件打印;终极目标是实现全部集成电路的直接打印。
 
《中国科学报》 (2014-05-06 第1版 要闻)
 
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