再也不會被燙到了，咖啡杯上能直接顯示溫度？

試想有一天，星巴克咖啡杯上特殊的電子標籤能夠準確顯示出咖啡的實時溫度，是不是很炫酷？又或者，食品包裝標籤能夠實時警告食品的保質日期，甚至玻璃貼紙就能實時顯示室外天氣和溫度等，這是不是很新潮？這就需要一些能夠廉價、批量化、高精度地生產電子印刷產品的高科技壓印技術。

研究者利用納米多孔碳納米管簇印模在玻璃基底（左圖，剛性）和聚酯塑料PET基底（右圖，柔性）上印刷的不同電路構型。圖片來源：Sanha Kim and DhanushkodiMariappan

近日，麻省理工學院（MIT）研究者開發出一種廉價、快速、高精度、批量化生產的印刷工藝，利用圖形化碳納米管簇（CNT）製作印模，能夠在任意剛性或柔性基底上印刷多種類型的電子墨水，所得電子結構具有很好的電導特性。這種納米多孔柔性印刷技術，不僅印刷速度高達每秒200毫米，列印精度也提升10倍之多。

這項研究發表於《ScienceAdvances》，獲得了美國國家科學基金會（National Science Foundation）和麻省理工學院能源研究所（MIT Energy Initiative）的支持。

MIT機械工程系的三井職業發展（Mitsui Career Development）副教授約翰·哈特（A. John Hart）稱，該團隊的壓印工藝應該能夠列印足夠小的晶體管用以控制高解析度顯示器和觸摸屏中的單個像素。新的印刷技術還可以提供相對便宜、快速的方式來製造應用於其他領域的各種電子錶面。

「目前，對於便宜地製造具有簡單計算和交互功能的電子設備具有巨大的需求，」Hart說。「我們的新型印刷工藝是一種高性能的用於完全印刷電子產品（包括晶體管、光學功能表面和通用感測器）的一種使能技術。

該論文的第一作者是麻省理工學院機械工程系及化學工程系的博士後薩尼亞·金（Sanha Kim），通訊作者是約翰·哈特（A. John Hart），合作者是機械工程系研究生海珊·（Hossein Sojoudi）、趙航波（Hangbo Zhao）和達努什科迪·馬利亞班（Dhanushkodi Mariappan）;以及工程學院教學創新教授加雷斯·麥金利（Gareth Mc Kinley）和化學工程教授克倫·格里森（Karen Gleason）。

印章-微型鵝毛筆

近年來，已有很多技術如噴墨列印和橡膠壓印技術等來製造印刷電子產品，但是印刷結果並不完美。因為這些技術的印刷解析度較低，極易產生「咖啡環」效應，即印刷墨水易於溢出列印邊界或者不均勻的印刷效果導致印刷電路功能殘缺。

哈特解釋說：「現有印刷電路技術的關鍵局限性在於其列印的特徵尺寸（解析度）以及印刷厚度，對於像晶體管或者特殊電學、光學特性的薄膜來說，印刷解析度和厚度都非常重要。」

MIT研究者利用強韌的碳納米管簇作為納米多孔印模

為此，哈特團隊設計了具備「納米多孔」特性的碳納米管（CNT）印章，類似於指甲蓋大小的海綿印章，由無數比頭髮絲細得多的圖形化特徵結構組成。利用蓬鬆納米多孔的毛細吸力，印章能夠均勻地裝載納米顆粒組成的印刷墨水，並均勻地壓印在任意表面上，包括剛性和柔性表面。相比於傳統橡膠壓印技術（也稱柔性印刷），這種印章設計能使最終印刷結構獲得更高解析度。

哈特團隊想到了最完美的印章材料——碳納米管（CNT），這是一種強韌的由碳原子層組成的微觀圓柱狀結構。正巧，哈特團隊特備擅長於控制生長特定構型的豎直碳納米管簇，控制碳納米管簇的圖形化排列就能獲得具有高精度結構的印章。

哈特稱：「我們非常幸運，解決當前高解析度印刷電路難題的方法竟然是基於我們早以研究多年的碳納米管背景。碳納米管簇能夠很好地裝載並轉移墨水到任何可用表面，就像無數只微型鵝毛筆一樣。」

卷對卷印刷工藝（Roll-to-rollprocessing）

早在2014年，哈特團隊就研發出能在硅表面上生長不同圖案化碳納米管簇的技術，並得到了蜂巢狀和花朵狀等多種結構的碳納米管陣列。

不同構型的聚合物薄膜（pPFDA）塗覆的碳納米管印模

基於這種圖案化技術，再結合哈里森團隊的提出的聚合物薄膜塗覆技術，能夠確保印刷墨水有效滲透碳納米管簇，並保證墨水印刷後碳納米管簇不會坍縮。隨後，哈特團隊利用這種納米多孔性的碳納米管印章浸入少量包含納米顆粒的電子墨水，如銀、氧化鋅或者半導體量子點等納米顆粒。

印刷圖案質量的關鍵：控制壓印壓力

最終想要獲得精細、高解析度印刷圖案的關鍵在於如何控制印章壓印墨水的壓力。為此，哈特團隊通過建立物理模型，研究了在給定印章和待印刷表面粗糙度以及墨水中納米顆粒濃度的情況下，需要多大的壓印力以獲得均勻的印刷墨水層。

MIT印刷電路系統：包括電動輥、納米多孔印模、彈簧連接平台等。圖片來源：Sanha Kim and DhanushkodiMariappan

此外，為了實現批量化印刷，達努什科迪·馬利亞班構建了一台特製印表機，包含一個卷有各種柔性基板的電動輥。研究者將每個印模固定在與彈簧相連的平台上，用以控制印模對待印刷基板的壓力。

哈特說：「這就構成一個連續的生產過程，一個印模再加上一個繞有各種待列印基底的電動輥，比如塑料薄膜線軸或其他電子印刷專用紙。」

結果令人十分鼓舞。

MIT研究者利用銀納米顆粒（左）及半導體量子點（右）製作的不同構型的印刷電路。

受限於其當前印刷系統中使用的電機，哈特團隊的印刷電路系統能夠連續地以每秒200毫米的速度進行列印，這已經能夠與目前工業印刷技術的速度相匹敵。更不用說，哈特團隊的印刷解析度也提升了十倍！

對印刷結構進行不同時間和溫度的退火處理（左）及其導電特性測試（右）。

研究者設計了多種不同電子墨水的壓印結構，並對其導電特性進行了測試。在退火或加熱之後，研究者獲得的各種印刷電路表現出極高的導電特性以及廣泛的應用潛力，如高性能透明電極。

將來，哈特團隊計劃進一步開發該技術用於完全印刷電子產品的潛力。

「此外，我們還計劃將該印刷技術與諸如石墨烯等二維材料集成在一起，開發新型超薄電子器件以及能量轉換裝置，」哈特說。