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            材料沉積噴墨打印及
            涂層系統解決方案

            新聞資訊

            為推動多種溶液法加工及納米材料沉積噴墨打印技術在印刷電子和生物等科學研究及工業領域的應用和發展而不懈努力。

            基于噴墨打印的微尺度三維冰結構制造

            發布時間:2021-02-02
            發布人:RUIDU

            北京大學李志宏教授課題組在“Inkjet printing-based fabrication of microscale 3D ice structures”的研究中,提出了一種無支撐材料制備冰的三維微結構的方法。為了精確控制冰晶的生長方向,在低濕度環境下進行噴墨打印。在印刷過程中,水滴(體積=數百皮升)沉積在先前形成的冰結構上,然后它們立即凍結。通過控制襯底溫度、噴射頻率和液滴尺寸,可以形成不同的三維結構(最大高度為2000 μm)。生長方向取決于液滴在先前形成的冰結構上的著陸點。因此,可以創建具有高度自由度的三維結構

            在過去的十年里,噴墨技術已經成為技術界公認的高性能制造工具,特別是微制造。在微制造中,噴墨沉積工藝用于在基底上產生材料圖案。噴墨技術的大多數微制造應用將相變液體油墨沉積到無孔基底上,沉積后會快速固化。相變材料在微制造應用中的例子包括用于電子制造的焊料和用于自由成形制造的熱塑性塑料。通過固化控制擴散是相變材料的一個有益方面,適用于目標是限制擴散并獲得給定液滴尺寸的最小點的應用。水是自然界中最常見的物質,在無污染方面有很大的優勢。從水到冰的相變是經常發生的現象。已經進行了一些研究來確定結冰的宏觀機理和過程,例如凍結鋒傳播、過冷現象、冰尖峰現象、冰層沿底層擴展以及水滴和氣泡的凍結。冰還廣泛用于微制造,例如用于生物材料系統的冰模板、用于納米圖案化方法的冰石印以及用于通過激光加工產生的微流體通道的冰塊。然而,這些技術基于去除技術,并且需要昂貴的設備和額外的支撐層或保護層。

            在3D打印中利用水作為相變材料,本文提出了一種經濟的添加劑制造方法,通過噴墨打印制造冰結構,這被稱為“冰打印”。小液滴可以從噴嘴單獨印刷到冷表面上,之后液滴立即凍結成冰晶。然后,越來越多的水滴可以被打印并相互連接以創建特定的結構設計。這種冰結構可用于冰點下的各種應用。然而,在其目前的形式中,這種冰印刷方法限于靠近基底的簡單平面結構,例如用于試劑預密封的微膠囊冰陣列和用于微流體的平行冰通道。本文通過優化工藝參數來精確控制冰晶的生長方向,充分實現了三維冰印的概念。成功地生產了不同的幾何形狀、尺寸、高度和懸垂結構,以及其他各種各樣的冰結構。與其他3D打印方法(如熔融沉積建模和立體光刻)相比,冰打印方法不需要額外的支撐結構或移除過程,這簡化了幾何設計,并避免了不必要的其他化學物質的引入。此外,3D冰印刷方法不需要特定的基底。冰結構可以形成在任何理論上足以結冰的基底上,例如玻璃、金屬、硅和聚合物膜。此外,3D印刷的冰結構可以用作復雜微流體通道的軟光刻模具,這對于傳統的光刻方法是困難的。此外,3D冰印有可能創建金屬鹽納米粒子的3D多孔支架,這些納米粒子在冷凍過程中從水中沉淀出來,然后占據冰粒之間的空間。

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            定制的噴墨打印系統已被用來演示3D冰打印方法。上圖為該系統的示意圖,該系統由壓電噴嘴、三軸運動平臺和自建冷卻子系統組成。冰印刷過程是基于體素的。體素被定義為基本的3D塊。單個體素是由液滴從液體(水)到固體(冰)的相變建立的。體素的尺寸與生成的液滴相關,液滴取決于噴嘴尺寸和施加的脈沖電壓信號。體素在定義的坐標上以逐層的順序堆疊,形成所需的2D或3D幾何圖形。圖b演示了冰印的基本工作原理: 溶液儲存在容器中,由空氣壓力驅動,以完全充滿壓電噴嘴中的毛細管,通過施加的脈沖電信號,使得噴嘴產生液滴。

            在印刷過程中,與冰結構碰撞的液滴擴散開來,在冷襯底上立即凍結,而沒有反彈運動。理論上,這種冰印方法適用于各種導熱性能良好的基材。圖c-e展示了逐層打印過程。單詞“ICE”包含垂直結構、彎曲結構和懸垂結構。打印單個液滴后,噴嘴會快速移動到同一層中的下一個體素。在整個印刷過程中,噴嘴在后續層之間的垂直距離保持不變。當液滴凍結時,體素被認為是印刷的。從冰結構頂部到噴嘴底部的距離固定為2毫米。獨立式結構和懸垂角在沒有支撐結構的情況下是可行的。

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            上圖a為冰印制作的直冰結構圖。使用具有閃光燈的CMOS照相機記錄沉積在冰結構上冰晶的生長特性。噴射的超純水液滴的體積恒定為150pL,噴射頻率為1Hz。圖b將冰柱結構的高度與液滴的數量進行擬合,發現印刷過程每滴液滴具有相對恒定的層厚度,約為28μm。由于柱子是由一系列液滴層形成的,外側壁不光滑,這在冰印過程中是不可避免的。而且,因為上面的冰柱在超低濕度環境下逐漸升華,筆直的冰柱逐漸變成針狀,如圖c所示。基于這一現象,盡管在空間自由度上有一些限制,但也可以制造出小于單個液滴尺寸的結構。圖d顯示了不同高度的支柱陣列。

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            如上圖a所示,可以通過控制印刷液滴之間的水平間距來獲得具有不同斜率的液滴。自動打印時,水平間距l與噴嘴速度v和打印頻率f的比值有關,如下所示:l=v/f。在大多數情況下,l應小于凍結液滴的半徑;否則,冰柱將是不連續的,而不是設計的形狀。在圖b中,噴嘴的速度固定在6毫米/秒,打印頻率從左到右為125、100、75和50赫茲。注意,l會影響打印層高度h(圖c)和曲線角度θ(圖d)。

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            上圖為冰打印技術打印出一系列不同維度的3D冰結構。(a) 一個單一的螺旋狀冰結構。(b)不同高度的冰墻。(c)一座冰金字塔。(d)復合冰結構。(e)冰火柴人。(f)一個冰梯。(g)漢字:鄭。(h) 冰字母表,包括各種無支撐的3D懸垂結構。

            綜上,本文展示了作為3D制造方法的冰印刷技術,這代表了在將噴墨印刷技術用于冰結構的微制造的方向上的新的一步。通過在冷基底上提供期望的液滴,以幾十微米范圍內的分辨率創建具有限定幾何形狀的冰圖案。使用不同的電壓激勵信號,可以調整光點尺寸。此外,由于納米線已經成功地組裝在宏觀尺度的冰結構中,微尺度的冰結構可以潛在地為可溶于或分散于金屬鹽納米粒子液體中的材料支持3D多孔支架,金屬鹽納米粒子在冷凍過程中從水中沉淀,然后占據冰顆粒之間的空間。能夠用不同的材料制造和保存復雜的三維冰結構。此外,所生產的微尺度冰結構可以用作具有預密封液體的復雜微流體的模具,這對于傳統的光刻方法是不可行的。在未來,該方案有可能實現生物微流控設備,如藥物混合和輸送系統。


            參考文獻:

            Zheng F , Wang Z , Huang J , et al. Inkjet printing-based fabrication of microscale 3D ice structures[J]. Microsystems & Nanoengineering, 2020.

            https://www.nature.com/articles/s41378-020-00199-x

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