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自製導電墨水

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說出來不怕你笑話,我的焊接技術糟透了,這嚴重製約了我實現電路模型的想法。實驗電路板可以派上用場,但是卻大大限制了元件的安裝位置。

所以我在ArXiv.org看到一篇描寫液態金屬墨水的文章時,感到非常興奮。由銀納米顆粒製成的導電墨水已經出現一段時間了;喬治亞理工學院的一個團隊也曾展示了通過噴墨印表機使用銀納米顆粒製作定製電路的方法。不過這種方法成本很高,我也不願意用我的印表機來干這種活。相比之下,這種新墨水還可以通過普通的中性筆來畫出電路走向,製作墨水的配方也極其簡單易懂。在燒杯中的去離子水中混合75.5個單位的鎵與24.5個單位的銦,加熱至50攝氏度,攪拌。瞧,室溫下的液態合金誕生了,成本約1美元每毫升。其導電性比納米墨水高兩個數量級,電阻率僅為銅的17倍。我要試試這個。

我與那篇文章的第一作者、位於北京的中國科學院理化技術研究所的劉靜研究員通了電話,確定我能否在家完成實驗。他建議我使用純度為99.9%的純鎵與銦,於是我花了130美元在GalliumSource.com購買了金屬原料。注入液態合金前,要保持筆芯的絕對清潔,液態合金中不能存在固態雜質,以免堵塞筆尖。最重要的一步是在塑料透明板上畫電路。這是因為墨水的表面張力很大,會在紙張上聚集成液滴。

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為了給我兒子過生日,我決定想辦法做個有趣的小玩意——帶有光敏振動器的四鍵風琴——裝在生日賀卡內。賀卡內的透明板面朝下保護墨水。我的設計方案使用了兩個3伏的紐扣電池、4個按鈕開關、1個光敏電阻、1個集成555定時器的電路,以及各種電容和電阻。所有元件都按照手繪電路連接。不過首先我要製作墨水,填充筆芯。

墨水的製作很容易。我把金屬很快混合好,然後吸入注射器中。我買了一支質量很好的中性筆和一些粗筆頭(0.8毫米)筆芯,用來塗抹合金應該比較合適。我牢記劉靜研究員的警告,發現最複雜的部分是把普通墨水從筆芯中弄出來。

我的第一個想法是把筆芯里的墨水吸干。我把筆放進摺疊的紙巾中,筆尖朝下待一晚,果然,紙巾把墨水都吸幹了。然後我在筆芯的金屬基底鑽孔,確定筆芯已空。最後再將合金注入筆芯。

液態金屬立刻從中性筆較細的一端滲出——但不是從筆頭的滾珠出來,而是從筆芯上端幾毫米處的氣孔流出了銀色的液滴,結果一團糟。(很慶幸我戴了手套,鎵與銦對皮膚可不好。)我用蠟封住了氣孔,筆卻不出墨了。我再一次用力搖晃中性筆——出墨了!但出來的不是金屬,是普通的墨水。

我把筆芯切開查看到底出了什麼差錯,發現一個緊緊固定的塑料洗瓶刷形狀的墨芯,上面掛滿了原來的墨水。我需要一個構造簡單的筆芯。

在使用了兩個不同的筆芯卻都失敗後,我終於發現了一種有效的方法。我把一支粗芯三菱溜溜筆的墨水從開口端吸出,然後用工業酒精反覆清洗,直到去除所有原來的墨水。最後我在照明燈下把筆芯乾燥了幾個小時後把液態金屬注入筆芯中。

「這次效果好多了。」我咬了咬牙說,然後用筆在透明板上塗寫。當看到像水銀一樣的I-E-E-E字母時,我興奮地叫了起來。萬用表的數據顯示:幾乎沒有電阻。

我將塑料薄板翻轉,用噴墨印表機在其粗糙面列印出我的電路圖形。塑料薄板就是投影儀常用的一類材料。然後我在薄板背面描出了電路的走向。由於合金墨水無法乾燥,很容易塗污,所以我最初把薄板面朝下擺放保護電路的想法是無法實現的。在與泡沫背板接觸的時候,合金延展碰撞,造成了短路。不過我很高興地發現液態金屬在塑料上的附著狀態良好,在倒放的時候沒有流動或滴落。所以我把塑料板與底板相連,光滑面朝外,用錐子在板面上開孔以容納組件引線,描畫線路走向,安裝組件。

我信心滿滿,按下了一個按鍵,然後按下了其他按鍵。沒聲音。

這個問題困擾了我好幾個小時,最後我把電池拆卸下來檢查到底出了什麼問題。我忘記了使用紐扣電池時,正極位於電池邊緣:在視線被阻擋的地方,一個正電極接觸了合金墨水中的地線。用棉簽擦拭幾次後,揚聲器開始滋滋作響了。

我選擇了《大力鼠》的主題曲:《我來拯救這一天》。雖然那時兒子的生日已經過去,他還是很喜歡這個禮物。這個小作品有很多電子學的知識,當然不僅僅是對他而言。

作者:W. Wayt Gibbs

>>>本文為原創,轉載請回復。


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