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電流體動(dòng)力噴印(Electrohydrodynamic Jet Printing)是一種非接觸式的打印技術(shù),通過施加電場(chǎng)來誘導(dǎo)墨水從噴嘴向基板噴射,屬于增材制造領(lǐng)域的一項(xiàng)新興技術(shù)。由于能打印多種類型的墨水并獲得理想的分辨率,該技術(shù)在電子設(shè)備、傳感器和顯示等領(lǐng)域受到關(guān)注。現(xiàn)階段,文獻(xiàn)已報(bào)道了分辨率高達(dá)50nm的電流體動(dòng)力噴印,但要復(fù)現(xiàn)這一精度并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用,必須對(duì)墨水、打印系統(tǒng)和打印基底三者具有出色的理解并進(jìn)行合理的組合。 針對(duì)這一領(lǐng)域,牛津大學(xué)Harish Bhaskaran在Small Science上發(fā)表了綜述文章,介紹了電流體動(dòng)力噴印的概念及原理,詳細(xì)回顧了墨水、打印系統(tǒng)和基底三個(gè)方面對(duì)噴印效果的影響,并對(duì)該技術(shù)的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。 在第一章中,作者首先介紹電流體動(dòng)力噴印的概念及原理。有別于電流體動(dòng)力霧化的其他應(yīng)用,電流體動(dòng)力噴印的主要特征是噴嘴與基板間距小于1 mm,且墨水在電場(chǎng)作用下以射流形式噴出(而非墨滴)。因此,電流體動(dòng)力噴印主要由導(dǎo)電毛細(xì)管、氣源/注射泵、高壓源和可移動(dòng)平臺(tái)組成,并配有計(jì)算機(jī)和顯微攝像機(jī)用于控制及觀察。當(dāng)向系統(tǒng)施加電勢(shì)時(shí),電荷遷移向毛細(xì)管末端的半月面,當(dāng)界面處積累了足夠電勢(shì)時(shí)會(huì)與基底產(chǎn)生靜電勢(shì),電應(yīng)力最終將墨水拉向基底,實(shí)現(xiàn)材料沉積。
墨水是電流體動(dòng)力噴印的核心,作者在第二章詳述了墨水的各方面性質(zhì)對(duì)噴印的影響。首先,墨水的表面張力決定了墨水在毛細(xì)管末端保持液面的能力,從而決定了開始噴印所需要的電驅(qū)動(dòng)力。表面張力較低時(shí),會(huì)導(dǎo)致較長(zhǎng)的夾斷時(shí)間,形成不穩(wěn)定的衛(wèi)星液滴,而表面張力過高時(shí),施加的靜電力則無(wú)法破壞液面而實(shí)現(xiàn)噴射。因此,有研究者在墨水中加入了表面活性劑,用于改變表面張力及流動(dòng)模式。此外,對(duì)于膠體型墨水,膠體的濃度也會(huì)影響墨水的表面張力,并最終影響噴印的穩(wěn)定性。之后,作者還基于現(xiàn)有的理論和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ),闡述了墨水電導(dǎo)率、弛豫時(shí)間、粘度和墨水流量對(duì)噴印的影響機(jī)制,并指出了開發(fā)優(yōu)秀墨水的標(biāo)準(zhǔn)及思路。
現(xiàn)階段,不同來源(商用、改造或自制)的打印系統(tǒng)具有截然不同的硬件配置和參數(shù),但每個(gè)小組通常只能基于自己的設(shè)備進(jìn)行研究,難以全面比較來自不同系統(tǒng)的參數(shù)。因此在第三章中,作者比較了打印系統(tǒng)不同的參數(shù)對(duì)電流體動(dòng)力噴射的影響。具體而言,本章討論了噴嘴的直徑、形狀和數(shù)量產(chǎn)生射流的效果,以及施加電位、噴嘴-基底間距和操作條件對(duì)噴印分辨率和穩(wěn)定性的影響。
在第四章,作者關(guān)注了電流體動(dòng)力噴印中基底的作用,并回顧了基底改性的策略與機(jī)制。通過化學(xué)、物理或電氣控制,可以改變基底的表面能、粗糙度、均勻性和電氣特性,從而影響射流形態(tài)、潤(rùn)濕過程、干燥過程以及材料的結(jié)晶和附著性能,最終獲得不同效果的材料沉積形貌。
在文末,作者對(duì)該領(lǐng)域的未來做出了展望。與光刻、蒸鍍和濺鍍等方法相比,電流體動(dòng)力噴印無(wú)需高成本的真空、潔凈條件,并能實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度的增材制造,是值得探索的研究領(lǐng)域。在未來,電流體動(dòng)力打印有望與其他技術(shù)進(jìn)行集成,例如原子力顯微鏡、機(jī)器學(xué)習(xí)視覺監(jiān)控等,在電子、光學(xué)、傳感器甚至生物工程領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。 論文信息: Electrohydrodynamic Jet Printing: Introductory Concepts and Considerations Nhlakanipho Mkhize, Harish Bhaskaran* Small Science DOI: 10.1002/smsc.202100073 |
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