第476期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读] 《纳米印刷术》
讲座题目：透视新科技——纳米印刷术
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：宋延林，中科院化学研究所。
贾志梅，中科院化学研究所。
讲座时间：2023年7月24日～7月30日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——纳米印刷术
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》，我是主持人胜春。印刷术一直是我们中国人引以骄傲和自豪的中国古代的四大发明，随着科技不断发展的今天，印刷术到底发展到什么程度了呢？如果有人告诉你，现今的印刷术将渐渐地走进制造行业，您会相信吗？让我们通过一段短片开始我们今天的节目。印刷术是将文字原稿经制版、施墨、加压等工序，使文字信息转移到纸张上，从而批量复制原稿内容的技术。印刷术不但推动了人类的信息交流，也推动着社会的进步。但随着印刷业规模的扩大，传统印刷术污染严重的问题，也逐渐暴露出来，那么印刷过程的污染是怎么来的，又该如何解决呢？今天我们请来的这两位都是来自中科院化学研究所，这位是宋延林先生，欢迎您宋先生！另外一位是贾志梅，欢迎您！平时我们办公的时候，经常会听到说你把这给我打印出来，然后你把那个复印一下，都没有刷字。
印刷这个词，其实我们可以分开来讲，一个是印，一个是刷，那么“印”属于印版或者叫印章。就是印刷的版是怎么做出来的？那个“刷”就是把印版的图文信息能够复制下来，以前我们也有一句话夸人，说是有两把刷子，那实际上这就是描述印刷术的。是这样的，从这儿出处。对，其中一把刷子是刷油墨的，另一把刷子是印版上刷了油墨，把纸贴上去，再把纸刷平了，所以从历史上来讲，印刷行业就是一个高技术的行业。制印的过程其实变化非常大，而刷的这个过程，其实相对变化较小，然后主要是以自动化的程度的提高来推进的，而制印的这个过程，实际上就像我们做。你像原来第一代物理的这种（印刷）方式的时候，我们是要去雕刻来制这个印，对吧。然后发展到第二阶段，我们叫光化学的这样的一个过程的时候，是先把图文信息在电脑里面编排完毕之后，把它输出到胶片上，就像我们的照片的那个底片一样，然后再拿着这个底片，去把这个图文信息转到印版上。这个印版再去显影，我们经过一次曝光显影，然后在印版的时候，再一次曝光显影，所以经过两次的这种光化学的过程和这种腐蚀的过程，得到了我们的这个印刷用的铝板，那么它就可以一张一张一张去复制图文信息了。
第二代印刷技术运用的是光化学原理，也就是先用电脑对内容进行编辑排版，然后将编辑好的内容曝光到一张感光胶片上，再将胶片上的图像文字通过曝光转移到一张涂有感光材料的铝板上，经过显影之后，铝板就成为批量印刷的印板。这种制版方式工序繁多，并且印刷采用的油墨具有一定的毒性，不但会造成水体严重污染，有些废液蒸发后还会造成气体污染。为此，科学家首先采用纳米技术，对印刷油墨进行改进，使它变为环保的绿色油墨。那么，这种纳米绿色油墨是如何与印刷术相结合的？这样的改进又是否可以彻底解决印刷业的污染排放问题呢？这个印刷术应该是中国人的传统手艺了，那这个纳米和印刷术是怎么结合起来的呢？这里边最初我们是从刚才说的印刷这两个概念，就是印板的问题，我们首先用纳米材料给它解决。那我们通过纳米材料，就可以直接用一个亲油的墨水，打在一个亲水的版上。因为版的空白区，它是亲水的不沾油墨，图文区就是能够沾附油墨，那么这样通过这样一个直接的打印的方式，就可以完成原来曝光很复杂的过程，这样就可以直接印刷了。
纳米是非常小的一个度量的单位了，是10的负9次方米，但是到纳米这个尺度之后，实际上物质会发生一些特异性的这种变化。那么我们说的纳米材料，通常指的就是1到100纳米范围之内的这样的一个尺度的材料。传统印刷存在哪些问题？具体都体现在哪些方面？两位能给我们介绍一下吗？传统印刷里边的存在的一些污染排放的问题，主要是有三个方面，第一个是刚才说的印刷制版，它基于曝光这个感光废液的排放，这是液态的污染。那还有一个就是做胶版印刷，它这个印刷的印版，全世界都是用铝板，通过电解氧化，最后形成这样一个板基。那么电解氧化过程中，也是一个高耗能高污染的过程，就是这种电解液的排放。所以这是生成很多工业的废气和残渣。对，残渣。就是要用石灰去中和，这是残渣固体的污染，那还有一个就是油墨里边的有机溶剂，我们就说的VOC的排放，所以这个固态的电解液的残渣，还有液态的感光废液，还有VOC这种气态的排放，这是传统印刷的主要的污染。
那一说到纳米印刷的优势，我们不妨跟传统的印刷来比较一下，纳米印刷它的优势到底体现在哪些方面？我觉得这个主要是从四个方面吧，绿色化过程更加环保了。为什么它就环保了呢？是不用油墨了还是？一个是在我们说在印版，刚才说印和刷，在制印的这个过程中，做印版的过程中，节省了这样的一些材料，然后用这种加法，直接喷墨的一个方式，取代了传统减法的这个光化学的一个方式，那么这个本身就节省了很多的这种原材料，然后也不用这种化学的一个反应过程，所以是更加环保的。另外一个实际上就是绿色油墨，我们可以把油墨在印刷这个过程中的油墨，把它做得更加环保，这个就是它在绿色环保这个方面的贡献吧。我们通过新的纳米绿色印刷的这样一个技术的进步，都可以（从）源头去解决这些污染的问题，让印刷从此告别了传统的这种污染，然后变成一个绿色的制造的一个行业。我们在传统的印刷领域，整个印刷的书报，包括我们的包装，就是这个食品包装。因为食品包装，除了精度图案美观以外，它还有一个食品安全的问题，因为传统的印刷它会用带有有机溶剂的这种油墨，就是环保性比较差。那我们用这个环保的水性油墨，这样印刷以后，它不光是解决了环保问题，而且也很大程度上解决了食品安全的问题。溶剂的残留会对这个食品的品质，会产生不好的影响，有（时）甚至会造成食品的浪费。我们这样一个新的绿色印刷的技术，就可以从包装上面去解决这个问题。
还有一个，就是纳米印刷可以更好地去实现立体化，包括我们这里有一些图，比如说我们来看这幅非常生动的变色龙，如果是普通印刷品的话，你只能看到一幅平面的图像。而我们用这种立体化的方式，然后把它做了增效之后，整个变色龙它的这种纹理，全部都能够立体化地体现出来，它的光影效果也能更加逼真。它整个的变色龙是凸出来的，看起来好像活灵活现地趴在树枝上一样，我想在过去的印刷当中，即使是照片拍得再真实，也很难有这种栩栩如生的这种感觉。对，这个就是纳米印刷里面一种就是立体化的一个应用，那么除了我们从影像上让它更加逼真以外，其实立体化还有一个非常重要的一个作用，这个就是在我们的视障朋友来讲，视障的朋友，大家知道都是靠触摸盲文来阅读的，那么他们获得这种知识和信息的渠道，都是通过指尖的这种触摸凸起来感受所有的文字的。那么如果我们用这种纳米印刷的方式，绿色印刷的方式呢，能够做成非常结实耐用的这种盲文。我手里有一张是，就是传统的这种刻印的方式，来制作的这种盲文，它的缺点就是非常容易被摸平。因为是靠这种击凸的方式把它撞起来的，所以手摸了几次之后就容易被摸平了，所以很多小朋友在学习的时候，这个就是。摸几次就“看”不清了。就很难去识别了。
那另外一点呢，这种盲文就只有点字的盲文，它没有办法做出连续调的图像来，所以在这个些盲孩子的世界里面几乎没有图可以读。而用绿色印刷的方式我们来做这个盲文之后，大家可以看到就是我不仅可以有非常耐磨的这种点字，而且手感非常清晰，这些孩子就可以能触摸到我们所有明眼的小孩，能看到的图形和图像了，这个对他们来讲的意义非常重大。因为在这种逻辑思维的训练的过程中，如果没有图像的话，他们的空间和抽象的理解。很难建立起来。对，很难建立起来，所以这也是就是立体化所带来的一个重大的突破。刚才贾老师讲了一个盲文的印刷，这个我们也是在国际上首先用这种方式，希望能够把这种新的技术，能造福盲人这个特殊的群体。因为我们（都知道），以前有一个成语叫盲人摸象，大家好像觉得这个很好笑。但是其实这个是因为盲人他接受这个信息的一个渠道，他只能，他的手指就是像他的眼睛，他只能触摸到了，他才能理解这个事情。所以我们希望通过这样一个新的技术，把更加丰富的信息传递给他们，那么我们还可以把其他的感知，因为传统的印刷，它只是一个视觉的一个表达，那么我们把触觉包括嗅觉，我们还可以比如说它打印。还有嗅觉？对，比如说打印一个苹果，我们把苹果的香味，通过一个特别的技术，能够让它（被）触摸的时候，释放出香味，这样就是视觉虽然受限，但是这个触觉、嗅觉，甚至听觉，我们也可以集成声卡，比如阅读唐诗的时候，就有声音去阅读出来，这样把多种的信息通过这种新的印刷术，能够传达给这种特殊的群体，既体现了对他们的一个关爱，也大大增加了他们获取知识的途径和效率。
相比传统的印刷，纳米印刷简化了制版过程。首先在铝板上喷涂纳米亲水涂层，就能做成打印的印版。之后将印版放在专用的打印机下面，用亲油材料打上图文内容，就完成了制版工作。制版流程的简化，降低了印刷成本，提高了印刷效率。并且纳米印刷不但制版过程摒弃了容易造成污染的感光液，印刷油墨也改为环保水性油墨，彻底解决了长期困扰印刷业的环保排放问题。在解决传统印刷污染问题的同时，纳米印刷也让纸质印刷图案实现了立体化。但随着信息技术发展，纸质印刷品正在被电子产品替代，传统印刷术遇到了前所未有的挑战。印刷术如何转型？新型印刷术还有哪些新的特点呢？刚才看到了我们这个纳米印刷技术，它的优势之后，我们都很想知道目前它在哪些领域是有应用的？比如说我们现在这个电脑、电视，都有一个部件叫印刷电路板，它都是比较刚性的，而且这个（是）不太透明的，那我们通过纳米印刷术，就可以做出这种高精度的柔性的电路板，那么将来再发展，我们从显示器到电路板甚至到芯片，都可以通过印刷的方式实现，这样就整个对我们的生活可能是一个非常大的变革。
我们过去理解的印刷，就是一个平面的。但现在我们看印刷的技术，随着纳米技术的这个发展，它不仅仅是平面，有可能是立体的。那有人就会联想到，我们已经有了3D打印技术了，这是一码事吗？如果不是的话，我们怎么去区分它（们）呢，在未来的世界里？其实3D打印呢，我们理解它是为了加工这种复杂器件，然后在三维结构上面来实现的一种加工制造的一个技术。那么我们（更）多的时候看到的其实是一种宏观的，然后微观上的这种，就是纳米印刷已经把我们带到了一个微观世界上的三维结构。而且也可以立体了。对，那这个实际上就是在，真正的纳米级纳米尺度上面微结构微器件的一种三维结构的构造了。它有两个根本的区别，就是一个是3D打印，它本身是靠墨滴的堆积，就是一个一个地去做的。那我们说的纳米印刷呢，它是有一个印版可以复制的，所以可以批量去做，这是其中的一个区别。另外一个就是从精度上来讲，目前的3D打印，它的精度都还是在微米的尺度，最小的斑点也要这个几个微米到几十个微米，那我们说的纳米印刷术，是要把它的最高的精度要提高到100纳米以下，所以它从精度上是在差别的有几个数量级的概念，所以应用的领域也会（有）大的差别。那这也是对这个行业革命性的一个改变了。这就是一些功能性的纳米材料，在这个领域里面应用带来的这种创新的变化和结果。
在国际上也有一个新的领域叫印刷电子，就是通过印刷技术和电子技术的结合，通过印刷的方式实现原来曝光、腐蚀才能得到的这种，包括电路板，各种电子器件。它有多方面的优势，用传统的印刷术，它实际上是一个减法的技术，从我们最早的雕版，它要把不需要的地方去刻掉，那么到后来曝光做印刷的版，也是把不需要的地方给腐蚀掉，最后排放，既造成了浪费又变成了污染。电路板也是一样。电路板传统的方法是在一个塑料板上镀上一层铜，然后通过曝光腐蚀，把不需要的铜腐蚀掉，留下的铜线是我们要的，那么这种减法的过程既造成了材料的浪费，又形成了大量的污染。我们的发展新的印刷术，就是一种加法的技术。用加法代替减法，需要有图案的地方，我才把它印上去，而且这个印的不光是一个图案，它有各种功能，比如说电路图它就可以导电，那么这样一个新的思路的突破，就把一个古老的印刷术带到一个全新的世界里面。就可以说我们读书是离不开印刷术的，那么将来我们生活的各种电子器件可能也都离不开印刷术。
纳米印刷具有绿色化、立体化、功能化、器件化四大功能特点，其中功能化与器件化是指采用纳米印刷术制造出功能性器件，使这一技术超脱出传统的纸质印刷品的范畴，拓展到了电子器件生产领域。采用纳米印刷方式生产集成电路，不但大大简化了制作工序，并且提高了精度，节省了材料。更重要的是采用纳米印刷，生产出的产品形态多样。通过纳米印刷术，不但可以印刷出柔性的电路，还可以印刷出透明的触控屏，甚至轻薄的蓝牙标签，也可以通过这种工艺生产出来。多种多样的用途，使纳米印刷术不再局限于信息传播领域，而是成为了一种先进的工业制造技术。那么纳米印刷术在实际应用中效果究竟如何？它的进一步发展，又面临哪些技术难题呢？那说到它的技术未来要适应更多的应用范围，目前哪些难题需要我们攻克呢？
其实这个难题还是非常多的。比如印书印报，大家觉得几十微米到几个微米，这样一个精度已经是足够了，因为它跟我们眼睛的分辨率有关系。但是现在一个，因为传统的这种书报的阅读量在下降，就是电子的阅读在上升，那么我们就存在一个就是这个印刷产业或者印刷技术，能不能发展到电子器件，或者说电子行业。所以我们努力就希望把这个传统的印刷的精度达到电子行业它的要求，电子行业它的精度就要大大提高，我们传统的印刷就是它的精度是在几十个微米。到电路板呢，高精度的可以到几个微米，我们说集成电路或者芯片，它就要几百纳米到几十纳米，甚至到十纳米以下。比如高精度的芯片，它的加工这个线宽已经到七个纳米，甚至五个纳米。那么这样一个高的要求，传统的印刷术是无能为力的，必须有新的思路对传统的印刷进行突破，那我们这十几年来就是围绕实现纳米精度的图案，这样一个方向开展了非常深入的研究。这里边其实有很多国际上的学术的难题，都是几十年、上百年，学术界非常困扰的。
比如说你想把墨点做小，就遇到一个非常有名的难题，叫“咖啡环效应”。我们知道一滴咖啡在固体表面干的过程中，它会形成一个咖啡渍，咖啡渍的特点就是边缘厚、中间薄。而且这个形状大家认为，这一滴咖啡之后形成什么形状，它是不可控制的，你不能预计我这个一滴咖啡之后落下来，形成一个什么形状。或者是一个准确的斑点的大小，但这个问题如果不能得到解决，对我们刚才说的这个纳米印刷，就是一个致命的制约。一个是斑点扩大，你的精度不行，另外一个就是它不均匀，当中薄，边缘厚，对印刷来讲就是色密度不均匀，它这个颜色。可能就有深有浅。那么对印刷电路来讲，就都是环，当中薄的地方导电性就差，所以这些问题不解决的话，那么你说的纳米印刷它的应用可能都是纸上谈兵。那我们考虑，好在我们通过十几年的研究，我们就能够解决这些问题，就是在咖啡渍干燥的过程中，它原来是扩散的，那我们让它不断地收缩，最后收缩成一个非常小的点。很均匀的点。对。那么这样的话，我就可以预知这个墨滴到这个特定的纸张表面，它最后的斑点大小，我都可以预知去计算出来，当然这只是其中一个例子。还有很多的科学的难题，比如说我们叫瑞利不稳定性，马兰戈尼效应，这都是液体干燥过程中，它怎么形成纳米精度的点、线、面。因为印刷的这个图形是由点线面做成的，你要做到纳米尺度的这样一个图案。需要你的点的大小，线的宽窄，还有这个面的厚薄，都要在纳米尺度，所以这里边有一系列的科学的难题和技术的难题。
我们在畅想，说未来真的纳米技术各项瓶颈都已经突破了，解决了，在我们的生活当中真的可以应用起来，那个时候给我们生活带来的，会是一个什么样的改变？我们可以大胆地畅想一下。比如说我们可以创造原来大家想象不出来的一些新的图案，新的效果。我们现在做各种印刷品，都离不开染料和颜料，我们看到的颜色都是靠染料和颜料产生的，但是我们知道染料和颜料它的生产和使用过程中，都会产生严重的污染，那我们就通过一种特殊的纳米材料，我们叫光子晶体材料，它的颜色是不靠染料产生。而是靠这种非常规整的纳米材料，组成这种微观的结构产生，这个纳米颗粒的大小不一样，就产生不一样的颜色，所以它就从根本上解决了污染的问题。这个蝴蝶上面，它各种看起来这个非常漂亮的颜色，是没有任何色素，就是靠纳米材料光的反射，光的选择性的反射，对特定波长光产生选择性反射，产生各种漂亮的颜色。这很有意思啊，从我的角度来看，从肉眼上来看，随着人角度的不同，我发现蝴蝶身上的颜色也是有变化的，是五彩斑斓的样子。
光子晶体材料实际上是一种，自然界所存在的纳米仿生类的材料，你像我们所熟知的蝴蝶的翅膀、孔雀的羽毛，甚至珍珠的表面的这种光泽，实际上你能看到的是一种流光溢彩的感觉，也就是说我们的颜色是一种“活的”颜色，而不是说像染料、颜料，我们印刷品或者纺织品，它的这种一成不变的这样的一个颜色，这个呢，也是光子晶体的一个橙色的一个特性。那这个东西永远停留在装饰画上吗？未来有了这样的技术后，还能做什么呢？光子晶体这样一个特殊的结构的这种材料，那么这种材料它是一种光学半导体，它的应用不光是看起来很好看，是一个颜色，它可以调控光子的这个运动。那这样的话，我们所有的记忆光学的这种器件，都可以用这种新的材料。比如说它可以提高我们照明的发光的这个效率，提高能源的利用率，也可以用在太阳能电池领域，让它更好产生电。其实这个材料，它是一种光学的半导体，它是对光子的调控，将来各种光通讯、光计算，它是一种基础性的材料，所以表面看来是一个颜色的问题，实际上它是对不同波段的光进行控制，那么将来我们想象一下，就是人类从电子时代跨越到光子时代，它是一种基础性的材料，可能从各个方面都会颠覆我们对原来信息一个认识，而纳米印刷就是能够把它变成现实的一个最有效的工具。
那能够在我们已经应用的领域当中，给我们说的更具体一点吗？光子晶体作为一种光学的半导体，这种材料它在所有的，跟光学信号儿利用和检测，这个领域都可以有独特的应用。比如在发光领域，发光、照明、显示，都是基于光学信号的这样一个采集和处理。光晶体如果用在这些领域，就可以提高发光的亮度，提高这个色纯度，就是让你的显示器看起来更加漂亮，还可以用在生物芯片领域。因为现在我们大部分的这种疾病的检测，都是跟光信号有关的，那么这种光学的信号，我们可以通过这样一个新的材料，让它的信号增强，这样就大大提高了它的检测的灵敏度。这个基于光学信号，还有其他的一些领域的应用，比如说对环境污染物的检测，传统的环境污染物它有很多种，就在这个水样里边，它不是一种污染，有很多种污染。那现在我们如果用光子晶体去检测，我们可以印刷一个纸芯片，这个纸芯片一次可以检测十几种的重金属的污染。
而且不需要经过分离，就是立等可取。因为传统的要把水样采回去，要经过复杂的分离，才能最后得到结果。那么通过这样一个新的材料的应用，跟印刷技术的结合，做一个高灵敏的检测芯片，就可以现场完成这样一个复杂的检测的任务。简单点说，其实光子晶体的这样的一个信号增强的作用。其实就像我们比如说房子，我们就开一扇窗，那你获得的能量，你照进来的光可能都是相对少的。但是如果我们采用光子晶体的这样的技术之后，就相当于你在屋顶上开了一个环形的一个巨大的天幕一样。那你获得的光的能量，你得到的这种照明度（以及）能量都会非常地强。今天，非常感谢两位科学家做客我们的节目，跟大家介绍关于这个纳米印刷术，如果不听你们的介绍的话，可能我们从未想到未来的纳米印刷技术会进入到制造业，会对未来的科技产生巨大甚至革命性的影响。好，感谢各位收看我们今天的《透视新科技》节目！如果你想了解我们更多的内容，可以下载央视频，去收看我们其他的节目。我是胜春，咱们下期节目再见。
（通讯员 邓辉）
