Small Science:电流体动力喷印(Jet Printing)最新进展

电流体动力喷印(Electrohydrodynamic Jet Printing)是一种非接触式的打印技术,通过施加电场来诱导墨水从喷嘴向基板喷射,属于增材制造领域的一项新兴技术。由于能打印多种类型的墨水并获得理想的分辨率,该技术在电子设备、传感器和显示等领域受到关注。现阶段,文献已报道了分辨率高达50nm的电流体动力喷印,但要复现这一精度并实现大规模应用,必须对墨水、打印系统和打印基底三者具有出色的理解并进行合理的组合。

针对这一领域,牛津大学Harish Bhaskaran在Small Science上发表了综述文章,介绍了电流体动力喷印的概念及原理,详细回顾了墨水、打印系统和基底三个方面对喷印效果的影响,并对该技术的未来发展进行了展望。

在第一章中,作者首先介绍电流体动力喷印的概念及原理。有别于电流体动力雾化的其他应用,电流体动力喷印的主要特征是喷嘴与基板间距小于1 mm,且墨水在电场作用下以射流形式喷出(而非墨滴)。因此,电流体动力喷印主要由导电毛细管、气源/注射泵、高压源和可移动平台组成,并配有计算机和显微摄像机用于控制及观察。当向系统施加电势时,电荷迁移向毛细管末端的半月面,当界面处积累了足够电势时会与基底产生静电势,电应力最终将墨水拉向基底,实现材料沉积。

墨水是电流体动力喷印的核心,作者在第二章详述了墨水的各方面性质对喷印的影响。首先,墨水的表面张力决定了墨水在毛细管末端保持液面的能力,从而决定了开始喷印所需要的电驱动力。表面张力较低时,会导致较长的夹断时间,形成不稳定的卫星液滴,而表面张力过高时,施加的静电力则无法破坏液面而实现喷射。因此,有研究者在墨水中加入了表面活性剂,用于改变表面张力及流动模式。此外,对于胶体型墨水,胶体的浓度也会影响墨水的表面张力,并最终影响喷印的稳定性。之后,作者还基于现有的理论和经验基础,阐述了墨水电导率、弛豫时间、粘度和墨水流量对喷印的影响机制,并指出了开发优秀墨水的标准及思路。

现阶段,不同来源(商用、改造或自制)的打印系统具有截然不同的硬件配置和参数,但每个小组通常只能基于自己的设备进行研究,难以全面比较来自不同系统的参数。因此在第三章中,作者比较了打印系统不同的参数对电流体动力喷射的影响。具体而言,本章讨论了喷嘴的直径、形状和数量产生射流的效果,以及施加电位、喷嘴-基底间距和操作条件对喷印分辨率和稳定性的影响。

在第四章,作者关注了电流体动力喷印中基底的作用,并回顾了基底改性的策略与机制。通过化学、物理或电气控制,可以改变基底的表面能、粗糙度、均匀性和电气特性,从而影响射流形态、润湿过程、干燥过程以及材料的结晶和附着性能,最终获得不同效果的材料沉积形貌。

在文末,作者对该领域的未来做出了展望。与光刻、蒸镀和溅镀等方法相比,电流体动力喷印无需高成本的真空、洁净条件,并能实现纳米级精度的增材制造,是值得探索的研究领域。在未来,电流体动力打印有望与其他技术进行集成,例如原子力显微镜、机器学习视觉监控等,在电子、光学、传感器甚至生物工程领域获得更广泛的应用。

Electrohydrodynamic Jet Printing: Introductory Concepts and Considerations

Nhlakanipho Mkhize, Harish Bhaskaran*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202100073

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smsc.202100073