出品：科普中國

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監制：中國科學院計算機網絡信息中心

随着科學技術的全面發展，人類社會已經進入了信息化的數字時代。芯片——作為各種電子設備的“小心髒”，盤踞着如同迷宮般複雜的集成電路，而集成電路的生産工藝也就成為推動電子數碼時代進步的重要動力。但是，傳統的集成電路采用光刻的刻蝕工藝進行生産，不僅生産效率低而且污染環境，為了有效解決這一矛盾，科學家創造性地将綠色印刷技術應用于集成電路的制造，并且發明了3D印刷集成電路的新模式。從做“減法”到做“加法”，3D印刷技術真正實現了“更快、更高、更強”的技術目标，為信息産業的不斷壯大注入了新的強勁動力。

傳統的3D打印，無論是以光引發聚合還是漿料沉積方式，都是通過層層堆疊的方式将多層平面結構堆疊成三維結構，就會存在無法直接制造懸空結構，且所用材料十分有限的問題。而3D印刷就是通過直接控制含有功能材料的墨滴在模闆間有序自成形的過程，實現3D微納結構的一步構建。舉個例子，生活中我們所看到的水滴和氣泡都是圓形的，這是因為球體的比表面最小，以球形方式存在的液體就具有最低的表面能，也就是水滴在最穩定狀态。而局限在模闆間的墨滴，同樣也會自發收縮到具有最低表面能的狀态，形成立體的連續空間，以供功能材料三維自組裝成立體的微納結構。中科院化學所宋延林研究員帶領團隊通過在模闆間多次添加含有不同功能材料的墨滴，實現了不同功能材料的精細3D微納結構，利用墨滴三維自成形的策略實現了多材料3D微納結構的批量快速制造。

圖1 功能材料三維自組裝成立體的微納結構示意圖

中國科學院化學研究所綠色印刷實驗室團隊在宋延林老師的帶領下，發展了新型的功能納米材料的可控組裝及精細圖案化技術，并應用在柔性可穿戴傳感器，透明導電膜，柔性顯示器件等領域。而3D印刷就是這一工作的延續和發展，通過構築微米尺度的模闆結構，實現了對功能材料墨滴液膜三維多方向破裂行為的控制，從而得到精确組裝的納米材料圖案。具體來說，墨滴在微米模闆間随着溶劑的揮發，氣液固三相接觸線與氣液兩相線同時有序收縮，模闆上的柱狀結構就像釘子一樣釘紮墨滴，使其達到具有最低表面能的穩定狀态，形成了上下貫穿的自支撐三維空間，待溶劑完全揮發後，其中的功能納米材料便在此空間内自組裝為3D微納結構。多次重複這種操作，便能得到多材料複合的3D微納結構。

随着智能終端的普及和人工智能的不斷發展，人們對更高性能且多功能電子産品的需求也在不斷增加。宋延林研究員表示，在有限的電子線路闆上排布更多的導電線路和電子元件就成為了一個難題，而在維度上的擴展就能很容易的解決這一難題。3D電子及立體電路的有效設計構造就成了當下一熱點研究課題，通過3D印刷的方式就可實現銀納米顆粒高效大面積3D微納結構制造。衆所周知，金屬銀具有良好的導電性，由銀納米顆粒組裝而成的3D結構就可作為立體電路整合在高性能電子線路闆中。另一方面，通過多次3D印刷具有不同發光波長的量子點，所制備的多材料3D微納結構在小于3微米的間隔出仍能發出不同顔色的光，使其在立體光學顯示及微納檢測器件領域有着廣闊的應用前景。

圖2 中國科學院化學研究所宋延林研究員

3D印刷技術通過對液體表面行為的操控，快速并且精确地構建出三維的多材料架構，實現了功能材料與不同光電性質的完美結合。這種利用表面能量最小化驅動的自成型加工技術，不僅能夠提高印刷集成電路的效率、保證電路集成組裝的高精度，還實現了從“做減法”到“做加法”的華麗轉身。未來，我們将會改變目前過度依賴進口的現狀，牢牢掌握3D印刷集成電路的自主知識産權，真正将綠色環保的理念進行到底。

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