空气中3D打印液态金属功能电子电路时的黏附效应优化方案：

笔者实验室研制出了常温下直接生成纸基功能电子电路乃至3D机电器件的桌面式自动打印机原型［57］，为新技术向普及化推进迈出了关键性的一步。相应工作受到国际上多个知名科学杂志、科学媒体的专题报道，如National Geographic News，Chemistry World，Asian Scientist Magazine，Desktop Engineering。

在题为“纸上柔性电子电路的直接桌面打印”的研究中［57］，Zheng等基于对液态金属输运及打印机理的深入解析，提出了旨在确保高精度印刷线宽的多孔芯体打印技术，筛选出与液态金属油墨黏性相匹配的纸质基底，并研制出了可突破液态金属高表面张力限制的电子打印机原型，还提出了有别于传统PCB（printed circuit board）技术内涵的纸上印刷电路（printed-circuits-onpaper，PCP）概念，由此建立了一整套全新的纸基电子器件直接打印方法。应用该系统，只需提前设定好控制程序，即可在普通的铜版纸上自动打印出电路、天线、RFID等电子器件并实现封装。特别是，通过设置各类导电或绝缘类油墨间的层叠组合程序，还可实现3D机电复合系统的直接打印（图4.25），这一特性并不为现有技术所具备。3D打印是当前世界范围内的前沿热点，被认为拉开了第三次工业革命的序幕，但已有方法大多只能实现模型自身的打印，尚不能完成包含电子功能在内的器件制造需求，可在常温下同时打印电气系统乃至机械及封装部件的液态金属印刷电子学为此带来了新希望。

图4.25　液态金属油墨印刷过程及3D多层电子线路或机电器件制造过程原理［57］

以往，常规的电子制造只能通过蒸镀、溅射、沉积等颇为耗时、耗材及耗能的工艺完成。新近出现的印刷电子学无疑加快了传统模式的变革，但也面临诸如高性能导电油墨配制困难、导线生成需要借助繁复的化学反应实现、器件成型固化温度高等瓶颈。也因如此，国内外还比较缺乏一套类似于办公室打印机那样的室温电子打印设备。作为电子制造领域的崭新前沿，所见即所得的液态金属印刷电子学为常温下直接制造柔性电子开辟了一条方便快捷且易于实现普及化应用的途径。实验室前期的一系列基础性工作，充分证实了这一直写技术在普适电子领域的优势（图4.26）。然而，要使该技术“飞入寻常百姓家”，必须研发出适用面广、成本适中的桌面自动打印系统；同时，若能直接采用便携、可折叠、价格低廉、易降解、可循环使用的纸张作为电子的打印基底，则势必进一步拓宽技术的应用层面。笔者实验室充分把握了以上需求，通过对系列关键科学问题的攻关，实现了电子打印技术的基础性突破。(www.xing528.com)

图4.26　以桌面方式直接打印并封装在铜板纸上的系列电子元件［57］

a.直写在铜板纸上的GaIn24.5液态合金；b.光印刷功能部件的光学图像。

总体上，基于液态金属的桌面打印方法的成功实现及所引申出的打印工具，为电子器件的个性化制造（DIY）创造了条件，有可能影响到未来电子技术的发展模式。同时，研究中论述的PCP理念再次表明，纸张既可以作为文字的载体，也可集成诸多电子元件，这有助于促成DIY电子时代的到来。当前，尽管实验室打印系统的价格仍然偏高，但随着技术的发展，其成本完全可以降至普通消费者能接受的范围。那时，即便没有电子设计经验的人士也能借助预设于计算机中的控制软件，随心所欲地打印出自己所需要的终端电子器件乃至组装出机电系统，如电子贺卡、纸上集成电路、显示器、广告牌、智能织物、机器人，乃至光伏电池阵列等。正如报道上述研究的科学媒体所评论的那样，“印刷电子对于制造业有着直接而重要的影响”，随着液态金属桌面打印系统精度及性能的不断提升，将催生出一系列超越传统理念的电子工程学及3D机电打印技术，一定程度上加快电子工业和制造业革新的步伐。