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宋延林:改变未来的纳米印刷技术

更新日期:2015-04-03

“CC讲坛(第六期)”于2015年3月28日在北京举行。上图为中国科学院化学研究所研究员、博士生导师,绿色印刷重点实验室主任宋延林。

  以下为演讲实录:

宋延林:大家好,我们知道在自然界中有很多有趣的现象,比如说荷叶可以出淤泥而不染,科学家经过研究发现,荷叶的这种特性跟表面纳微米结构有关系,再举一个例子,壁虎能够飞檐走壁,科学家也是发现在壁虎的脚掌上面有精细的结构,精细的纳米和微米的结构组合造成他能够黏附在很多物体光滑的表面。纳米的技术究竟对我们的生活,为我们的产业会产生什么样的影响,就像今天结合这两个例子,一个是表面憎水的效应,一个黏附作用,对我们熟悉的印刷术会产生什么样的关系。

说起印刷术大家很熟悉,活字印刷是基于物理成像,就是基于物理的结构,这两个技术共性特征就是简法,我们要刻一个字,把不需要的地方刻掉,通过一个激光照牌做一张印版,需要通过曝光的方式,把不需要的给腐蚀掉。我们有没有可能改变这个过程。把纳米材料跟两个相关的特性,跟印刷的需求结合起来。大家看一下右下角,这是激光照牌制造过程,从这个看起来很像传统胶卷照相的过程,第一步先把要印的东西,它的图象曝光在一个感光胶片上,当然感光胶片需要曝光显影,才能得到,这个胶片出来以后,再就像我们洗像一样,再经过冲洗,才能得到最终的版本。这两个感光和冲洗过程就会产生非常大的污染,我们现在想了一个办法就是,我们直接基于刚才讲的纳米材料对表面亲水、亲油性的控制,可以直接打出一个图片,这样是不是就直接可以上去印刷了,想起来道理很简单,但是这是国际性的挑战,首先空白区反差够不够大,这个就像我们第一个例子一样,必须靠纳米结构来解决这个问题。

第二个普通的墨水打到印板上以后很快就会磨掉,印报纸要印到十万份,怎么解决这个问题,我们用一个纳米颗粒符合增强的技术,原理也很简单,就像我们铺柏油马路,提高它的耐磨性,在我们技术里面,必须小到纳米尺度,就是几百个纳米以下,这样才能保证我在打印过程中,能保证它的流畅性。看起来这是个非常简单,又非常环保的技术,可以从根本上解决目前感光成像印刷出版技术的缺陷。但是印版做出来以后,送到印刷车间,我们都知道,要用油墨,这个油不是我们食用油,而是使用了一些甲苯类的溶剂,会严重影响我们的健康,因为我们知道小食品包装,用到塑料的包装是非常多,如果残留不解决,其实不仅是环保问题,还是个很大的安全隐患。为什么不能用水性的油墨来用于产品包装呢,水性墨大家知道在塑料上由于表面不一样,非常难黏附的,这个物体怎么解决,我们也是靠纳米材料去解决的,经过努力用水性墨在塑料上面印出精美的图案,这样根本上解决了印刷过程中制版的污染和后边印刷车间排放的问题。把这个技术再进一步往下发展,把印刷技术和新材料的技术结合起来,可以改变很多传统体量非常大,但是污染和消耗非常严重产业的生产的方式。比如说我们印染中国应该是世界第一的产量,但是污染大家也知道是非常严重的,我们把印染的颜料、染料做成墨水,通过打印的方式,可以在不同的材料上面,比如说棉布、化纤、丝绸,这些不同的材料,实际上表面差别非常大的,你能在丝绸上打印好,但是在化纤上打印不好,怎么控制这个问题,就是靠纳米材料解决。如果我们用新的打印的方式,可以做出个性化的服装,全世界独一件,又可以根本上解决这样一个生产制造过程的污染问题。还有我们现在生活水平提高了,大家用陶瓷、玻璃做一个屏风,做一个个性化的图案,如果到陶瓷厂烧制,就是非常昂贵的,我们用墨水打印就非常简单实现这一点。从图片上可以看到,不论在陶瓷还是玻璃上面,都可以打出非常漂亮,非常精美的图案,这样符合大家对个性化装修的要求。从更大的意义上,我们通过材料技术的进步和印刷技术的结合和打印技术的结合,都可以根本上解决传统的印刷、印染包括建筑材料这方面的高能耗、高污染的问题。

我们再把这个技术再扩展起来,跟印刷相关的还有什么污染的问题?我们可以通过新的纳米材料为代表的新技术,能够从根本上得到解决。我们很快就会想到染料、颜料,染料、颜料生产的过程是非常污染的过程,而使用的过程也会消耗大量的洁净水,我们国家占全世界染料生产60%,我们为全世界的美丽付出了巨大的环境的代价,但是没有人感谢我们。我们怎么样通过中国科研的技术进步,能够解决这个问题,我们开始从自然界中学习,大家看这个图片,这种漂亮的宝石,蝴蝶的翅膀,它的颜色不是染料产生的,我们叫结构色彩,因为纳米自身的结构,这种特殊的颜色就完全没有色素的影响,也就是说是一种非常环保的成色的体系,当然这种材料更重要的意义叫光学的半导体,这么重要的材料,全世界科学家都在研究,我个人认为,谁能把它变成批量化、工业化生产,这也是全世界的挑战。科学家总是在实验室里边做出非常小量的东西去写论文,但是应用的时候就要很难,谁能大量做,低成本做,这个也是非常难的事情,好在我们把它解决了。我们靠什么解决,合成不同的纳米颗粒,控制纳米颗粒的尺寸,可以得到不同的颜色,这种颜色就可以不会褪色,光泽也非常好,而且成色的效果,可以看不同的角度,可以得到不同颜色的效果,我这有一张样品,不知道能不能看到,从不同的角度看,实际上这个颜色是有变化的,是非常漂亮的。将来我们跟3D打印技术结合起来,这个成色效果跟宝石是一样的,我们跟3D打印技术结合起来,把这个做成墨水,漂亮的女士想做一个什么样的首饰,自己在电脑上设计形状,我通过买墨水回去自己打印。这个事情解决以后,其实更重要的意义,是能够提供一种新型的智能化包装的材料,也许从明年,因为商业秘密的问题,我不能讲哪个品牌,你们可以从一些著名化妆品包装上面能看到我们的技术和产品,大家看非常漂亮的,用非金属做出金属色,用无色的原料做成彩色出来,像宝石一样绚烂。另外它还有一种新的功能,比如像右下角,可以对环境温度、湿度做出反应,温度高或者低,用什么样的化妆品,也会通过颜色来告诉你,更进一步我们在一些食品的包装,药品的包装,涉及到安全性的问题,腐败了,变质了,不能用了,都可以通过直观颜色的改变,告诉你这个东西不能吃了,所以这样纳米材料新的,从传统印刷进入到印刷包装里面,可以给我们整个感受是非常人性化、智能化的进步。

刚才介绍了这么多,把纳米材料和印刷技术结合起来,可以对非常重要的传统行业有根本性的变化,现在都说进入了信息社会,我们靠网络,纳米技术在这个领域能够发挥什么作用?我们中国改革开放30年,经济得到了高速的发展,全世界都肯定这一点。但是这是2012年时代周刊的封面,中国经济进步靠什么,上面看,大烟囱,靠牺牲环境,下面苹果手机上面有很多蚂蚁一样的人,靠廉价劳动力,这两个因素在今后经济发展中已经不可能完全持续,因为环境已经恶化到不能忍受的地方,我们劳动力成本在不断上升,就是一些低端利润比较薄的产业,现在不断往东南亚去转移。我们中国经济靠什么,中国科研的人员能不能靠自主创新的技术,支撑我们国家经济的发展,这个问题我想也是我们政府我们老百姓对中国科学家的一个期望,也应该是一种责任。

我们看,在信息技术里边,有一个基本的单元,我们叫印刷电路板,刚才我们介绍的印刷板的过程跟印刷电路板过程几乎是一样的,就是电路是什么样的图形,先在感光胶片上,经过曝光、蚀刻,留下的是我们需要的。大家想想一张铜板,80%以上的铜被腐蚀掉,腐蚀掉以后就排到地下,排的铜还有其他的超过十几万吨,这样以至于影响我们的食物链,我们可以把金银铜的金属做成纳米颗粒,做成导电的油墨,通过打印,通过印刷形成电路,是不是能实现。我们打印出一条线,就可以当电线用,就可以代表LED灯泡,在去年刚刚开过的APEC期间中,我们享受了APEC蓝,会场六个门卡都是按照我们的技术,里边所有电线和电路都是通过我们的纳米技术建造出来,这是中国的科学家对技术的进步做出的贡献。

大家听了觉得你们做的还不错,这么好的事情,为什么我们能够做出来,为什么没有早一点把它做出来,实际上它是一个涉及到非常多国际性的科学和技术的难题,简单讲一个例子。就是著名的咖啡环效应,一杯咖啡干的时候会形成空心环,大家可能有这种感性的认识,这是整个搞化学,特别跟印刷技术相关的一个国际性的难题,如果这个问题不解决,你印刷的精度就不能控制,刚才说打印电路都是空心,导电性怎么提高?好在这个问题又是跟刚才说的一样,问题很难,但是我们把它解决了。对于科研人来讲,最大的成就感就是这句话,这件事很难,我们把它做好了。我们可以打出缩小一个数量级的墨点,这个墨点上面纳米颗粒是精密堆积的,这样可以保证我们大大提高印刷的精度,可以改善我们印刷电路的导电性。对于科研人员来讲,还有什么?你能不能把这个事情做到极致,让别人都承认你是世界第一,怎么样能做到世界第一呢?就是说你打印一个墨滴只含一个纳米颗粒,你这一个纳米颗粒是不是做了几百个实验,挑出来的,我想要一个有一个,想要两个有两个,一二三四五,这是我们认识的规律,去掌握规律和应用规律的一个过程,我们在这方面是走在世界最前列的。这个问题怎么解决?还是通过纳米材料界面效应,是这样铺展、蒸发、缩小,咖啡环效应不可避免,我们现在怎么样,通过纳米界面材料的应用,让它干燥、收缩,干燥,所以我们能够做到世界上最小的墨点,而且有一个更大的梦想,我们中国人去书写现代的绿色印刷的,我们要做世界上最小的一点,最细的线,最平的面,点线面都能做到世界最好,那你一定是世界最好。而且我们要提出三个公式,我们叫第一定律,第二定律,第三定律,非常难,但是我们要把它做好。我们可以做很多事情,我们可以做触摸屏,可以通过印刷的方式做触摸屏,这个已经实现了,普通印刷只能印到几十个微米,我们可以印到几十个纳米左右,这样的技术达到我们做硬件最高的技术,芯片加工核心的技术,我们知道芯片是我们每年中国进口最大量的产品,每年超过2000亿美金,为什么?我们没有核心的技术,我们每年石油的进口也才1200亿美元,核心技术谁有?因特尔有,你要买它的专利,你不能引进他最先进的生产线,我们中国将来有没有可能自主知识产权去生产,我觉得这是提供了一种可能,我们直接在硅片上,为什么要在硅片上印刷,在硅片上加工,直接可以达到目前最高精度的电路,这是一个标志性的技术。这个在发表文章之前,首先申请了三项国际标准,这也对我们将来印刷技术芯片产业提供了可能性。

我们还可以做电路板,可以做芯片,我们还可以做更高性能的显示器,我们知道,现在液晶显示的方式,有它本质上的一些缺陷,我们看不同的角度,它的颜色、亮度会有偏差,甚至到一定角度因为,看起来整个是黑屏的,这是跟它成像原理有关系,我们怎么样解决,把纳米材料和印刷技术结合,大家看中国科学院化学的缩写,从5度看,颜色和亮度是一样的,从世界上任何角度看,中科院都是没有变的,这个意义在哪儿,将来我们发展柔性显示,一定要变角度,可弯曲,不同角度看,成像是没法保证的,我们实际上解决了最关键的基础问题。对我们中国发展这方面的产业提供了自主知识产权。还可以把印刷技术发展到生物芯片上去,每天早晨一个小时多有湿润的空气,把这个湿润空气凝结到背上,是一个疏水的背,雾滴凝结在亲水点上面去,把这个原理利用起来,可以做出一种高密度检测的生物芯片,在一个疏水的器材上,打出斑点,这种非常微量的血样就可以富集到要检测的区域,这样可以把检测的灵敏度提高。

讲完这些故事以后,我们就知道印刷是非常了不起的技术,中国人有可能在这个领域,再为世界做出非常大的贡献,我们现在除了传统的印书印报,可以印染,可以印建材,可以引各种各样电路、显示器,我们将来想象一下,将来有可能一天,带着一个塑料薄膜,有芯片,有电路板,有显示器,就是一张纸,卷起来就走,解决所有的生存问题。更远的想象,我们把所有的东西都集成在服装上边,所有的信息交换处理,以及甚至能源,我们穿的衣服,都完全可以解决,这也是我们人类未来发展的梦想。概括一下,印刷术从最早的活字印刷,印书印报到现在可以印手机触摸屏,印电路板,到将来智能服装,一步一步印刷技术随着材料的进步,一步一步把人类推向一个更高的智慧的阶段。未来的发展我个人也提出了所谓的绿色印刷、制造的概念,因为大家以前认为印刷就是印书印报,我们去年中科院先导的计划,我做项目负责人提出,印刷不仅是传递信息的方式,它还是一种先进的制造方式,这种先进在哪儿,系统加法工艺,节省材料,减少污染,而且是从根本上的,所以印刷技术和纳米材料的结合,给印刷技术也提供了很大广大的发展空间,我下面想告诉大家,化学是创造美好的生活,谢谢。