试想有一天，星巴克咖啡杯上特殊的电子标签能够准确显示出咖啡的实时温度，是不是很炫酷？又或者，食品包装标签能够实时警告食品的保质日期，甚至玻璃贴纸就能实时显示室外天气和温度等，这是不是很新潮？这就需要一些能够廉价、批量化、高精度地生产电子印刷产品的高科技压印技术。
研究者利用纳米多孔碳纳米管簇印模在玻璃基底（左图，刚性）和聚酯塑料PET基底（右图，柔性）上印刷的不同电路构型。图片来源：Sanha Kim and DhanushkodiMariappan
近日，麻省理工学院的研究者开发出一种廉价、快速、高精度、批量化生产的印刷工艺，利用图形化碳纳米管簇（CNT）制作印模，能够在任意刚性或柔性基底上印刷多种类型的电子墨水，所得电子结构具有很好的电导特性。这种纳米多孔柔性印刷技术，不仅印刷速度高达每秒200毫米，打印精度也提升10倍之多。这项研究发表于《ScienceAdvances》。
MIT机械工程系的三井职业发展（Mitsui Career Development）副教授约翰·哈特（A. John Hart）称，该团队的压印工艺应该能够打印足够小的晶体管用以控制高分辨率显示器和触摸屏中的单个像素。新的印刷技术还可以提供相对便宜、快速的方式来制造应用于其他领域的各种电子表面。
“目前，对于便宜地制造具有简单计算和交互功能的电子设备具有巨大的需求，”Hart说。“我们的新型印刷工艺是一种高性能的用于完全印刷电子产品（包括晶体管、光学功能表面和通用传感器）的一种使能技术。
印章-微型鹅毛笔
近年来，已有很多技术如喷墨打印和橡胶压印技术等来制造印刷电子产品，但是印刷结果并不完美。因为这些技术的印刷分辨率较低，极易产生“咖啡环”效应，即印刷墨水易于溢出打印边界或者不均匀的印刷效果导致印刷电路功能残缺。
哈特解释说：“现有印刷电路技术的关键局限性在于其打印的特征尺寸（分辨率）以及印刷厚度，对于像晶体管或者特殊电学、光学特性的薄膜来说，印刷分辨率和厚度都非常重要。”
MIT研究者利用强韧的碳纳米管簇作为纳米多孔印模
为此，哈特团队设计了具备“纳米多孔”特性的碳纳米管（CNT）印章，类似于指甲盖大小的海绵印章，由无数比头发丝细得多的图形化特征结构组成。利用蓬松纳米多孔的毛细吸力，印章能够均匀地装载纳米颗粒组成的印刷墨水，并均匀地压印在任意表面上，包括刚性和柔性表面。相比于传统橡胶压印技术（也称柔性印刷），这种印章设计能使最终印刷结构获得更高分辨率。
哈特团队想到了最完美的印章材料——碳纳米管（CNT），这是一种强韧的由碳原子层组成的微观圆柱状结构。正巧，哈特团队特备擅长于控制生长特定构型的竖直碳纳米管簇，控制碳纳米管簇的图形化排列就能获得具有高精度结构的印章。
哈特称：“我们非常幸运，解决当前高分辨率印刷电路难题的方法竟然是基于我们早以研究多年的碳纳米管背景。碳纳米管簇能够很好地装载并转移墨水到任何可用表面，就像无数只微型鹅毛笔一样。”
卷对卷印刷工艺（Roll-to-rollprocessing）
早在2014年，哈特团队就研发出能在硅表面上生长不同图案化碳纳米管簇的技术，并得到了蜂巢状和花朵状等多种结构的碳纳米管阵列。
不同构型的聚合物薄膜（pPFDA）涂覆的碳纳米管印模
基于这种图案化技术，再结合哈里森团队的提出的聚合物薄膜涂覆技术，能够确保印刷墨水有效渗透碳纳米管簇，并保证墨水印刷后碳纳米管簇不会坍缩。随后，哈特团队利用这种纳米多孔性的碳纳米管印章浸入少量包含纳米颗粒的电子墨水，如银、氧化锌或者半导体量子点等纳米颗粒。
印刷图案质量的关键：控制压印压力
最终想要获得精细、高分辨率印刷图案的关键在于如何控制印章压印墨水的压力。为此，哈特团队通过建立物理模型，研究了在给定印章和待印刷表面粗糙度以及墨水中纳米颗粒浓度的情况下，需要多大的压印力以获得均匀的印刷墨水层。
MIT印刷电路系统：包括电动辊、纳米多孔印模、弹簧连接平台等。图片来源：Sanha Kim and DhanushkodiMariappan
此外，为了实现批量化印刷，达努什科迪·马利亚班构建了一台特制打印机，包含一个卷有各种柔性基板的电动辊。研究者将每个印模固定在与弹簧相连的平台上，用以控制印模对待印刷基板的压力。
哈特说：“这就构成一个连续的生产过程，一个印模再加上一个绕有各种待打印基底的电动辊，比如塑料薄膜线轴或其他电子印刷专用纸。”
结果令人十分鼓舞。
MIT研究者利用银纳米颗粒（左）及半导体量子点（右）制作的不同构型的印刷电路。
受限于其当前印刷系统中使用的电机，哈特团队的印刷电路系统能够连续地以每秒200毫米的速度进行打印，这已经能够与目前工业印刷技术的速度相匹敌。更不用说，哈特团队的印刷分辨率也提升了十倍！
对印刷结构进行不同时间和温度的退火处理（左）及其导电特性测试（右）。
研究者设计了多种不同电子墨水的压印结构，并对其导电特性进行了测试。在退火或加热之后，研究者获得的各种印刷电路表现出极高的导电特性以及广泛的应用潜力，如高性能透明电极。
将来，哈特团队计划进一步开发该技术用于完全印刷电子产品的潜力。
“此外，我们还计划将该印刷技术与诸如石墨烯等二维材料集成在一起，开发新型超薄电子器件以及能量转换装置，”哈特说。
参考：Kim et al. Sci.Adv. 2016;2 : e1601660，"Ultrathin high-resolutionflexographic printing using nanoporous stamps"
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