近日，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了在冷凍電鏡技術(shù)領(lǐng)域有突出貢獻(xiàn)的科學(xué)家，讓世界的目光再次聚焦于微觀的世界。

如今，在深圳，國(guó)人自主研發(fā)的微納米設(shè)備，也聚焦于微觀世界，所生產(chǎn)的產(chǎn)品沖破國(guó)外壟斷，運(yùn)銷歐洲和北美，甚至賣到了NASA(美國(guó)國(guó)家航空航天局)和常春藤高校等世界頂級(jí)科研機(jī)構(gòu)，其中的微納米3D打印系統(tǒng)不但可以打印出有序排列的人造細(xì)胞支架等微納米級(jí)別的生物工程制品，甚至可以打出納米級(jí)別的電路，制備柔性電子器件，助力人們的醫(yī)療健康和便捷生活。

神奇盒子用“墨水”打印微納米級(jí)材料

把溶液通過(guò)微米級(jí)的噴嘴擠出，形成小于1μm-10μm(微米)直徑的液滴，再通過(guò)電場(chǎng)力拉伸，在高精度3D運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的配合下，可以做出直徑為0.01μm-1μm的點(diǎn)、線的各種組合，實(shí)現(xiàn)單根納米纖維和單個(gè)量子點(diǎn)的有序沉積。這就是電流體動(dòng)力3D打印機(jī)的工作原理。

在深圳南山區(qū)科技園內(nèi)，四五臺(tái)全球最先進(jìn)的微納米級(jí)別3D打印機(jī)正在緊鑼密鼓地加工中，幾天之后，這些設(shè)備將分別發(fā)往北京、波士頓、迪拜。

論顏值，這幾臺(tái)機(jī)器并未給人眼前一亮的感覺，冰箱大小的黑匣子里全部鏤空，內(nèi)部仿佛一個(gè)微波爐，而在盒子的頂部和下端，則留出一根超微小針頭和載物臺(tái)。不過(guò)，“長(zhǎng)相”普通的它們，“能耐”卻并不普通。

“這臺(tái)機(jī)器是中科院定制的，專門用于他們最新型的電子材料研究?！鄙钲谕ξ⒓{科技有限公司總工程師李春斌指著房間角落里一臺(tái)機(jī)器告訴記者，這臺(tái)黑色機(jī)器名為電流體動(dòng)力3D打印機(jī)，工作原理是把溶液通過(guò)微米級(jí)的噴嘴擠出，形成小于1μm-10μm直徑的液滴，再通過(guò)電場(chǎng)力拉伸，在高精度3D運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的配合下，可以做出直徑為0.01μm-1μm的點(diǎn)、線的各種組合，實(shí)現(xiàn)單根納米纖維和單個(gè)量子點(diǎn)的有序沉積。

“可以理解為一臺(tái)微納米級(jí)別的3D打印機(jī)?！崩畲罕蠼忉尩?，傳統(tǒng)的3D的打印機(jī)實(shí)際上是一種宏觀上的生產(chǎn)工藝，通過(guò)高溫熔解和擠出堆積式工藝生產(chǎn)出各種各樣的模具。另外，目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的其他3D打印機(jī)，只能打印大于或等于噴頭直徑的點(diǎn)、線，而電流體動(dòng)力打印可以打印小于噴頭直徑的點(diǎn)、線。

而微納米級(jí)別的3D打印機(jī)，所打印出的是微納米級(jí)別的特殊結(jié)構(gòu)。打印機(jī)將導(dǎo)電“墨水”置于機(jī)器當(dāng)中，通過(guò)電場(chǎng)將這神奇的“墨水”，拉出一根根直徑僅幾十納米到幾微米的細(xì)絲，而這些細(xì)絲則按照既定電腦程序，排布成任意形狀和三維結(jié)構(gòu)的制品。

李春斌介紹，拉絲的過(guò)程類似于紡織工藝中的“織布”過(guò)程，一根根細(xì)絲連成線，最后就可以在一個(gè)平面上“織造”出一張僅有納米至微米厚度的薄膜。

記者了解到，目前，這種工藝已被用于高端生物領(lǐng)域。2016年，廣東珠三角的一家生物科技公司，通過(guò)定制這種微納米3D打印機(jī)，來(lái)嘗試生產(chǎn)可用于人體中的血管、手術(shù)隔離膜等組織。

在通力微納科技的實(shí)驗(yàn)室中，記者看到一張半透明薄膜，李春斌解釋，這張薄膜的厚度僅有0.5mm，是一家生物材料公司所生產(chǎn)的用于可植入人體的組織，僅僅巴掌大小的薄膜，其市場(chǎng)價(jià)格就近數(shù)千元。

用一克金做打印原料一整天都消耗不完

與其他的微納結(jié)構(gòu)制造技術(shù)相比，電流體動(dòng)力打印具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、成本低、原料來(lái)源廣等優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域如電子器件、柔性電子顯示器、可穿戴設(shè)備、太陽(yáng)能薄膜電池、微傳感器、生物支架、組織工程、有機(jī)發(fā)光二極管、生物傳感器、能量收集等領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，并開始獲得應(yīng)用。

除了生物類用品外，如何將微納米材料應(yīng)用于難度更大的微電子領(lǐng)域?中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所研究院研究員張興業(yè)告訴記者，這需要突破微納米生產(chǎn)中此前無(wú)序拋絲的難題，即是要讓納米纖維能夠有序地排布，而3D電流體動(dòng)力打印機(jī)的研制成功，實(shí)現(xiàn)了≤1μm的單個(gè)點(diǎn)、單根線的精確打印。

納米纖維的有序排布，讓科研者對(duì)微納米材料的的應(yīng)用有了無(wú)限想象?！安坏梢源蛴〖?xì)胞支架，甚至可以做顯微鏡里才能看到的微型電路，進(jìn)一步縮小電子元器件的體積?！崩畲罕笳f(shuō)道，近年來(lái)，隨著微納米結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域不斷向前推進(jìn)，微納米3D打印設(shè)備成為全球微納米結(jié)構(gòu)研究者的“剛需”。

與其他的微納結(jié)構(gòu)制造技術(shù)相比，電流體動(dòng)力打印具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、成本低、原料來(lái)源廣等優(yōu)點(diǎn)，在電子器件、柔性電子顯示器、可穿戴設(shè)備、太陽(yáng)能薄膜電池、微傳感器、生物支架、組織工程、有機(jī)發(fā)光二極管、生物傳感器、能量收集等領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，并開始獲得應(yīng)用。

張興業(yè)告訴記者，此前，國(guó)內(nèi)的微納米結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域研究者，為能制備出納米纖維，大多使用高壓靜電紡絲機(jī)，“靜電紡絲方法做出的納米纖維膜是無(wú)序的排布，類似于無(wú)紡布的樣子，目前應(yīng)用領(lǐng)域包括過(guò)濾膜、醫(yī)用膜、電池隔膜等?！?/span>

實(shí)際操作中，隨著研究工作的進(jìn)一步深入和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，越來(lái)越多的科研人員要求制備整齊排列的納米纖維陣列。而在深圳，李春斌用一種全新的方式突破了無(wú)序生產(chǎn)的難題。在最新的3D納米打印機(jī)中，僅1微米外徑的針頭不再像過(guò)往一樣拉出微納米絲，而是在玻璃板上，以3000μm/s的速度，打下一個(gè)個(gè)細(xì)點(diǎn)，“像打出一顆顆子彈一樣”，最終匯聚成線。

李春斌在電腦上向記者演示了用微納米3D打印機(jī)繪制中國(guó)地圖，幾秒鐘之內(nèi)，一張微米級(jí)別的地圖呈現(xiàn)在了玻璃板上。

“針頭運(yùn)動(dòng)的路線可以按照要求控制，這就代表可以生產(chǎn)任何路徑的電路。”李春斌表示，一旦微納米級(jí)別的電路技術(shù)成熟，那么在微納米領(lǐng)域的生產(chǎn)制造將邁向一個(gè)全新的階段。

“墨水”轉(zhuǎn)化為微納米設(shè)備，這些納米級(jí)電路是否穩(wěn)定可靠?答案是肯定的，而這也是我國(guó)目前在化學(xué)材料領(lǐng)域所研究的重要方向，李春斌解釋，相較于傳統(tǒng)的蝕刻電路(先用原材料繪制整張樣板，隨后用藥水擦掉不用的部分)，這種打點(diǎn)法的消耗僅為原來(lái)的十分之一，再加上本身所制造的產(chǎn)品都是微納米量級(jí)，因此相較于微米級(jí)別電路，納米電路可以使用金等更加昂貴的原材料進(jìn)行墨水調(diào)配，而成本并不增加。李春斌告訴記者，用微納米3D打印機(jī)，使用一克金作為原材料，甚至可以打印一整天都消耗不完。