記者 / 陳麗媛

改變未來制造的NanoOPS 3D打印機(jī) 專訪(美國(guó))東北大學(xué)高效納米制造科學(xué)工程中心總監(jiān)Ahmed Busnaina

記者 / 陳麗媛

NanoOPS 3D打印技術(shù)可以比當(dāng)今的打印技術(shù)如噴墨打印或三維打印的速度快1000倍，尺度小100倍。

注釋①

美國(guó)東北大學(xué)(Northeastern University)成立于1898年，是全美最大的私立大學(xué)，類型為研究型大學(xué)，自我定位為交叉學(xué)科的領(lǐng)航者。主校園占地73英畝(300,000 m2)，位于波士頓市，緊鄰著名的哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院。

注釋②

3D打印是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，是快速成型技術(shù)的一種。其實(shí)，3D打印機(jī)與普通打印機(jī)的工作原理基本相同，只是打印的材料不同。普通打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實(shí)實(shí)在在的原材料。打印機(jī)與電腦連接后，通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。

自從3D打印誕生以來，這項(xiàng)顛覆性的制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了太多人們難以想象的事情。制造、醫(yī)療、學(xué)術(shù)、航空航天、軍事等多個(gè)領(lǐng)域都有它的身影。中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟將其稱作“上上個(gè)世紀(jì)的思想，上個(gè)世紀(jì)的技術(shù)，這個(gè)世紀(jì)的市場(chǎng)”。2014年9月，（美國(guó)）東北大學(xué)①高效納米制造科學(xué)工程中心(以下簡(jiǎn)稱CHN)的研究人員發(fā)布了世界上首個(gè)加工電子器件和傳感器的全自動(dòng)納米級(jí)打印機(jī)——NanoOPS 3D打印機(jī)。此為何物？本期《消費(fèi)電子》采訪了CHN的總監(jiān)艾哈邁德（Ahmed Busnaina），讓他為我們揭開NanoOPS的神秘面紗。

節(jié)約10-100倍的制造成本

3D打?、谒枷肫鹪从?9世紀(jì)末的美國(guó)，在20世紀(jì)80年代得到發(fā)展和推廣。資料顯示，3D打印技術(shù)的歷史并不長(zhǎng)。1986年，美國(guó)科學(xué)家查爾斯·赫爾（Charles Hull）開發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)3D打印機(jī)，被后人稱為“3D打印技術(shù)之父”。通俗地說，3D打印機(jī)可以“打印”出真實(shí)的3D物體，比如打印機(jī)器人、玩具車，甚至是食物等各種模型。30多年來，3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一次又一次突破，讓人驚嘆“不可思議”！

據(jù)了解，目前商用電子器件的制造成本仍然很高，2015年高達(dá)150億美元，同時(shí)耗費(fèi)大量的水電資源。艾哈邁德告訴記者：“我在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造工藝領(lǐng)域工作了20多年，當(dāng)制造設(shè)備的成本躍升至幾十億美元（今天達(dá)到170億美元）時(shí)，我認(rèn)為應(yīng)該有一種更簡(jiǎn)單、更低廉的，在同一尺度下實(shí)現(xiàn)制造電子產(chǎn)品的方法。而納米技術(shù)顯然更容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楝F(xiàn)今油墨顆?？梢栽诩{米級(jí)下獲得，這使得納米級(jí)印刷技術(shù)成為可能。”近年來，3D打印的市場(chǎng)正在穩(wěn)步擴(kuò)大。微納機(jī)電系統(tǒng)、生物醫(yī)療、組織工程、新材料、新能源、高清顯示、微流控器件、微納光學(xué)器件、微納傳感器、微納電子、生物芯片、光電子和印刷電子等諸多領(lǐng)域?qū)τ趶?fù)雜三維微納米結(jié)構(gòu)有著巨大的產(chǎn)業(yè)需求。在各方因素的促使下，加工電子器件和傳感器的全自動(dòng)NanoOPS 3D打印機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。CHN長(zhǎng)期以來一直在研究納米技術(shù)，他們?cè)?014年發(fā)布的NanoOPS 3D打印機(jī)，可能會(huì)在納米級(jí)制造領(lǐng)域造成突破性影響。

體型巨大、幾乎充滿整個(gè)房間的納米級(jí)柯式打印系統(tǒng)（Nanoscale Offset Printing System），簡(jiǎn)稱NanoOPS?？雌饋恚琋anoOPS是個(gè)巨大的六邊形機(jī)器，約有7英尺（約2.13米）寬，中心固定著一個(gè)機(jī)械臂，用以轉(zhuǎn)移模板和產(chǎn)品。其工作原理與常見的擠出式3D打印機(jī)逐層堆積樹脂或塑料不同，納米3D打印機(jī)一開始就會(huì)在產(chǎn)品的模具或模板上打印。需要打印的計(jì)算機(jī)芯片或另一塊電子器件會(huì)浸入含有微小納米粒子的溶液。系統(tǒng)會(huì)向溶液施加電脈沖，以引導(dǎo)納米粒子附著在需打印的產(chǎn)品上，通過精確控制粒子數(shù)量生成任意形狀。

左：《消費(fèi)電子》執(zhí)行社長(zhǎng)王福山右：美國(guó)東北大學(xué)高效納米制造科學(xué)工程中心總監(jiān)Ahmed Busnaina

艾哈邁德對(duì)這項(xiàng)將在各工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生革命性影響的NanoOPS技術(shù)寄予了厚望：除了制造傳感器和電子產(chǎn)品之外，我還想用它來打印能源類、醫(yī)療或材料應(yīng)用類。

艾哈邁德表示：“我們開發(fā)的NanoOPS技術(shù)使整個(gè)行業(yè)和研究人員都能夠以同樣的尺度（納米級(jí)）印刷傳感器、電子設(shè)備，就像今天的電子產(chǎn)品一樣具有高吞吐量。這意味著它可以比當(dāng)今的打印技術(shù)如噴墨打印或三維打印的速度快1000倍，尺度小100倍?！盢anoOPS可以用來制造新的、更實(shí)惠的電子產(chǎn)品、藥品，更強(qiáng)、更輕、更智能的復(fù)合材料，或更快、更便宜的能源采集和存儲(chǔ)設(shè)備。

除此之外，艾哈邁德還告訴記者：“NanoOPS是目前制造電子產(chǎn)品唯一可行的替代品，因?yàn)槟壳暗挠∷⒓夹g(shù)使用的還是40年前在半導(dǎo)體制造業(yè)中使用的刻度?！碑?dāng)前電子工業(yè)和3D打印使用的是噴墨技術(shù)，用于打印低端電子器件、柔性顯示器、無線射頻識(shí)別等，且僅可以實(shí)現(xiàn)20微米（20,000納米）打印。20微米是1975年硅電子器件的線寬。據(jù)艾哈邁德介紹：“目前印刷技術(shù)能做到的最小電路線長(zhǎng)20000納米，寬小于20納米。而美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）非常支持并資助了東北大學(xué)的高效納米制造科學(xué)工程中心，我們已經(jīng)研發(fā)出了能夠打印最小線寬20納米以下的電子器件技術(shù)?！笨偟膩碚f，NanoOPS的突破性體現(xiàn)在四方面：10-100倍的節(jié)約電子器件的制造成本；可應(yīng)用于任何剛性或柔性表面；可在常溫常壓下制造器件；可使用任何導(dǎo)體、半導(dǎo)體或絕緣材料。

用汗液/眼淚即可測(cè)血糖的傳感器

NanoOPS面世后獲得了許多獎(jiǎng)項(xiàng)和榮譽(yù)。在艾哈邁德看來，除了比常規(guī)制造的成本低10-100倍外，NanoOPS最大的優(yōu)點(diǎn)在于它可以印刷傳感器、電子器件、能源設(shè)備等其他設(shè)備以及可以使用任何導(dǎo)電、半導(dǎo)體或絕緣材料（有機(jī)或無機(jī)）。在幾分鐘內(nèi)，NanoOPS就能在柔性或硬質(zhì)基板上3D打印出納米結(jié)構(gòu)和電路上的柔性或硬質(zhì)基板。這些基板尺寸最大可達(dá)8英寸寬。除此之外，高產(chǎn)的NanoOPS還具有可持續(xù)制造的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能夠提升性能，實(shí)現(xiàn)從納米到微米的多尺度印刷，打印出20納米以內(nèi)的電子器件，并且有能耗低、投資低的優(yōu)點(diǎn)。

優(yōu)勢(shì)顯著的NanoOPS將會(huì)給人類生活帶來極大影響。據(jù)（美國(guó)）東北大學(xué)的報(bào)告稱，“一座微電子制造工廠往往要花費(fèi)數(shù)十億美元，并且需要大量的水和電資源支持。此外，目前生產(chǎn)納米級(jí)設(shè)備幾乎都沒有利用到納米材料，比如納米管、量子點(diǎn)和納米顆粒的獨(dú)特性能和屬性。而NanoOPS則提供了一種獨(dú)特的方法來制造包含了納米材料的制造設(shè)備和產(chǎn)品?！卑~德告訴記者：“除了使打印出來的電子器件和傳感器更適合每個(gè)人，NanoOPS還將制造出其他運(yùn)行得更快、更好，節(jié)約更多電力的新穎設(shè)備。納米級(jí)印刷工藝是一種新的綠色納米制造技術(shù)，在常溫常壓下，除極少數(shù)情況需要使用電力外，大部分都是用水。我們甚至能夠使用這個(gè)技術(shù)來打印納米級(jí)的藥物模型，使得目前和未來的藥物傳輸效率提高10倍，高效到達(dá)人體細(xì)胞?！?/p>

據(jù)艾哈邁德介紹，全自動(dòng)化的NanoOPS樣機(jī)已經(jīng)向58家企業(yè)展示過。到2025年，物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目規(guī)劃創(chuàng)造30-110億美元的影響力，這需要成千上萬的廉價(jià)、低功耗的傳感器以及電子器件。艾哈邁德認(rèn)為，只有降低用于無所不在的傳感器和電子器件的成本才能實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)。

除了加工電子器件，印刷傳感器是NanoOPS另一重要價(jià)值。艾哈邁德表示，“NanoOPS可以打印出用于檢測(cè)化學(xué)或生物標(biāo)記物和其他類型傳感器的極小的無線傳感器，同時(shí)也包括植入的傳感器、電力電子、顯示器、NEMS、能量收集等?！睋?jù)悉，目前的商用硫化氫化學(xué)傳感器是使用血液來檢測(cè)血糖的，尺寸大、耗能高，大多數(shù)不可穿戴，非柔性且有線。而CHN研發(fā)的無需媒介的第三代傳感器——硫化氫化學(xué)傳感器，使用汗液或眼淚就能夠檢測(cè)血糖，還可用于檢測(cè)病毒、細(xì)菌、癌癥等，是一項(xiàng)具有突破性意義的技術(shù)。據(jù)介紹，NanoOPS打印出的傳感器的成本僅是目前市場(chǎng)上硅傳感器的百分之一到十分之一。

多年來埋頭鉆研納米級(jí)3D打印技術(shù)的艾哈邁德對(duì)這項(xiàng)將在各工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生革命性影響的NanoOPS技術(shù)寄予了厚望，他告訴記者：“除了制造傳感器和電子產(chǎn)品之外，我還想用它來打印能源類、醫(yī)療或材料應(yīng)用類。印刷電子器件和傳感器的其它優(yōu)勢(shì)是可持續(xù)制造、性能改進(jìn)、透明度和新材料的使用等。此外，因?yàn)殚_發(fā)費(fèi)用和生產(chǎn)成本低，這項(xiàng)技術(shù)將打開許多新應(yīng)用程序的大門。例如，一個(gè)納米加工設(shè)施系統(tǒng)只需投入約5000萬美元，這在今天看來算是較低的成本。低成本讓數(shù)百萬的創(chuàng)新者和創(chuàng)業(yè)者們對(duì)納米技術(shù)不再望而卻步，將大大降低行業(yè)壁壘，從而創(chuàng)造出全新的產(chǎn)業(yè)鏈。”

每天都在工作 包括周末

艾哈邁德的日常工作非常繁忙。除了擔(dān)任（美國(guó)）東北大學(xué)高效納米制造科學(xué)工程中心的總監(jiān)外，艾哈邁德還是（美國(guó)）東北大學(xué)微污染控制中心的主任?！爸饕幚碇圃飚a(chǎn)品過程中產(chǎn)生的污染，重點(diǎn)關(guān)注納米電子學(xué)領(lǐng)域的常規(guī)納米制造中的微污染。主要涉及當(dāng)今常規(guī)納米電子學(xué)不斷增加的納米制造產(chǎn)量。”艾哈邁德是表面清潔和污染控制領(lǐng)域國(guó)際公認(rèn)的權(quán)威專家，是開發(fā)納米尺度元素（如碳納米管，納米粒子等）的快速大規(guī)模定向組裝的領(lǐng)導(dǎo)者。這包括開發(fā)模板，以在短時(shí)間內(nèi)（以秒為單位）和大面積地將納米元件組裝成納米級(jí)結(jié)構(gòu)。不僅如此，艾哈邁德在評(píng)審期刊、訴訟和會(huì)議上發(fā)表了600多篇論文，擁有80項(xiàng)專利和專利申請(qǐng)。他在許多咨詢委員會(huì)任職，其中包括三星電子。他還是美國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)會(huì)員，粘合學(xué)會(huì)會(huì)員，AIAA和IES的副研究員，獲得過富布萊特高級(jí)學(xué)者獎(jiǎng)，道明杰出青年學(xué)者獎(jiǎng)（ASEE）。

艾哈邁德的履歷非常豐富且出色，但身兼多職的他出于熱愛和社會(huì)責(zé)任感，對(duì)NanoOPS注入了巨大的熱情。艾哈邁德告訴記者：“我希望未來每個(gè)人都能使用到這項(xiàng)技術(shù)，所以我每天都在工作包括周末。CHN非常重視社會(huì)責(zé)任，這也是發(fā)明NanoOPS的一個(gè)動(dòng)力因素。我們做了生命周期分析，計(jì)算了印刷產(chǎn)品產(chǎn)生的碳排放量。事實(shí)上，這是一項(xiàng)可以在常溫常壓下制造電子器件的綠色技術(shù)。此外，我們基于調(diào)研結(jié)果還制定了安全處理和使用納米材料的基礎(chǔ)協(xié)議?！被蛟S，NanoOPS 3D打印技術(shù)對(duì)艾哈邁德來說已不僅僅是工作。當(dāng)記者問到“拋開工作還有哪些興趣愛好？”時(shí)，艾哈邁德依然想著NanoOPS 3D打印技術(shù)，“閑暇時(shí)，我喜歡閱讀、跑步、游泳，另外還包括研究我很感興趣的技術(shù)，比如納米級(jí)打印技術(shù)?！庇腥绱算@研的勁頭，也難怪艾哈邁德帶領(lǐng)的CHN能研發(fā)出改變未來制造的NanoOPS 3D打印機(jī)。

結(jié)語(yǔ)

可以說，納米技術(shù)能真正改變制造，而且這并不遙遠(yuǎn)。NanoOPS系統(tǒng)的運(yùn)行、生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于普通的納米制造設(shè)備，且因使用新材料和基材，許多以前不可能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用都將在不久的將來成為可能，這也讓NanoOPS具備了商業(yè)化的廣闊前景。高精尖科技行業(yè)對(duì)常人來說似乎陌生又遙遠(yuǎn)，但人類生活卻正因這些高科技背后人才的不斷鉆研，促進(jìn)科技的向前發(fā)展，才變得越來越好。