改變未來制造的NanoOPS 3D打印機(jī) 專訪(美國)東北大學(xué)高效納米制造科學(xué)工程中心總監(jiān)Ahmed Busnaina

記者 / 陳麗媛

改變未來制造的NanoOPS 3D打印機(jī) 專訪(美國)東北大學(xué)高效納米制造科學(xué)工程中心總監(jiān)Ahmed Busnaina

記者 / 陳麗媛

NanoOPS 3D打印技術(shù)可以比當(dāng)今的打印技術(shù)如噴墨打印或三維打印的速度快1000倍，尺度小100倍。

注釋①

美國東北大學(xué)(Northeastern University)成立于1898年，是全美最大的私立大學(xué)，類型為研究型大學(xué)，自我定位為交叉學(xué)科的領(lǐng)航者。主校園占地73英畝(300,000 m2)，位于波士頓市，緊鄰著名的哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院。

注釋②

3D打印是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，是快速成型技術(shù)的一種。其實(shí)，3D打印機(jī)與普通打印機(jī)的工作原理基本相同，只是打印的材料不同。普通打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實(shí)實(shí)在在的原材料。打印機(jī)與電腦連接后，通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。

自從3D打印誕生以來，這項(xiàng)顛覆性的制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了太多人們難以想象的事情。制造、醫(yī)療、學(xué)術(shù)、航空航天、軍事等多個領(lǐng)域都有它的身影。中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟將其稱作“上上個世紀(jì)的思想，上個世紀(jì)的技術(shù)，這個世紀(jì)的市場”。2014年9月，（美國）東北大學(xué)①高效納米制造科學(xué)工程中心(以下簡稱CHN)的研究人員發(fā)布了世界上首個加工電子器件和傳感器的全自動納米級打印機(jī)——NanoOPS 3D打印機(jī)。此為何物？本期《消費(fèi)電子》采訪了CHN的總監(jiān)艾哈邁德（Ahmed Busnaina），讓他為我們揭開NanoOPS的神秘面紗。

節(jié)約10-100倍的制造成本

3D打?、谒枷肫鹪从?9世紀(jì)末的美國，在20世紀(jì)80年代得到發(fā)展和推廣。資料顯示，3D打印技術(shù)的歷史并不長。1986年，美國科學(xué)家查爾斯·赫爾（Charles Hull）開發(fā)了第一臺商業(yè)3D打印機(jī)，被后人稱為“3D打印技術(shù)之父”。通俗地說，3D打印機(jī)可以“打印”出真實(shí)的3D物體，比如打印機(jī)器人、玩具車，甚至是食物等各種模型。30多年來，3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一次又一次突破，讓人驚嘆“不可思議”！

據(jù)了解，目前商用電子器件的制造成本仍然很高，2015年高達(dá)150億美元，同時耗費(fèi)大量的水電資源。艾哈邁德告訴記者：“我在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造工藝領(lǐng)域工作了20多年，當(dāng)制造設(shè)備的成本躍升至幾十億美元（今天達(dá)到170億美元）時，我認(rèn)為應(yīng)該有一種更簡單、更低廉的，在同一尺度下實(shí)現(xiàn)制造電子產(chǎn)品的方法。而納米技術(shù)顯然更容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楝F(xiàn)今油墨顆?？梢栽诩{米級下獲得，這使得納米級印刷技術(shù)成為可能?！苯陙?，3D打印的市場正在穩(wěn)步擴(kuò)大。微納機(jī)電系統(tǒng)、生物醫(yī)療、組織工程、新材料、新能源、高清顯示、微流控器件、微納光學(xué)器件、微納傳感器、微納電子、生物芯片、光電子和印刷電子等諸多領(lǐng)域?qū)τ趶?fù)雜三維微納米結(jié)構(gòu)有著巨大的產(chǎn)業(yè)需求。在各方因素的促使下，加工電子器件和傳感器的全自動NanoOPS 3D打印機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。CHN長期以來一直在研究納米技術(shù)，他們在2014年發(fā)布的NanoOPS 3D打印機(jī)，可能會在納米級制造領(lǐng)域造成突破性影響。

體型巨大、幾乎充滿整個房間的納米級柯式打印系統(tǒng)（Nanoscale Offset Printing System），簡稱NanoOPS?？雌饋恚琋anoOPS是個巨大的六邊形機(jī)器，約有7英尺（約2.13米）寬，中心固定著一個機(jī)械臂，用以轉(zhuǎn)移模板和產(chǎn)品。其工作原理與常見的擠出式3D打印機(jī)逐層堆積樹脂或塑料不同，納米3D打印機(jī)一開始就會在產(chǎn)品的模具或模板上打印。需要打印的計(jì)算機(jī)芯片或另一塊電子器件會浸入含有微小納米粒子的溶液。系統(tǒng)會向溶液施加電脈沖，以引導(dǎo)納米粒子附著在需打印的產(chǎn)品上，通過精確控制粒子數(shù)量生成任意形狀。

左：《消費(fèi)電子》執(zhí)行社長王福山右：美國東北大學(xué)高效納米制造科學(xué)工程中心總監(jiān)Ahmed Busnaina

艾哈邁德對這項(xiàng)將在各工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生革命性影響的NanoOPS技術(shù)寄予了厚望：除了制造傳感器和電子產(chǎn)品之外，我還想用它來打印能源類、醫(yī)療或材料應(yīng)用類。

艾哈邁德表示：“我們開發(fā)的NanoOPS技術(shù)使整個行業(yè)和研究人員都能夠以同樣的尺度（納米級）印刷傳感器、電子設(shè)備，就像今天的電子產(chǎn)品一樣具有高吞吐量。這意味著它可以比當(dāng)今的打印技術(shù)如噴墨打印或三維打印的速度快1000倍，尺度小100倍?！盢anoOPS可以用來制造新的、更實(shí)惠的電子產(chǎn)品、藥品，更強(qiáng)、更輕、更智能的復(fù)合材料，或更快、更便宜的能源采集和存儲設(shè)備。

除此之外，艾哈邁德還告訴記者：“NanoOPS是目前制造電子產(chǎn)品唯一可行的替代品，因?yàn)槟壳暗挠∷⒓夹g(shù)使用的還是40年前在半導(dǎo)體制造業(yè)中使用的刻度?！碑?dāng)前電子工業(yè)和3D打印使用的是噴墨技術(shù)，用于打印低端電子器件、柔性顯示器、無線射頻識別等，且僅可以實(shí)現(xiàn)20微米（20,000納米）打印。20微米是1975年硅電子器件的線寬。據(jù)艾哈邁德介紹：“目前印刷技術(shù)能做到的最小電路線長20000納米，寬小于20納米。而美國國家科學(xué)基金會（NSF）非常支持并資助了東北大學(xué)的高效納米制造科學(xué)工程中心，我們已經(jīng)研發(fā)出了能夠打印最小線寬20納米以下的電子器件技術(shù)?！笨偟膩碚f，NanoOPS的突破性體現(xiàn)在四方面：10-100倍的節(jié)約電子器件的制造成本；可應(yīng)用于任何剛性或柔性表面；可在常溫常壓下制造器件；可使用任何導(dǎo)體、半導(dǎo)體或絕緣材料。

用汗液/眼淚即可測血糖的傳感器

NanoOPS面世后獲得了許多獎項(xiàng)和榮譽(yù)。在艾哈邁德看來，除了比常規(guī)制造的成本低10-100倍外，NanoOPS最大的優(yōu)點(diǎn)在于它可以印刷傳感器、電子器件、能源設(shè)備等其他設(shè)備以及可以使用任何導(dǎo)電、半導(dǎo)體或絕緣材料（有機(jī)或無機(jī)）。在幾分鐘內(nèi)，NanoOPS就能在柔性或硬質(zhì)基板上3D打印出納米結(jié)構(gòu)和電路上的柔性或硬質(zhì)基板。這些基板尺寸最大可達(dá)8英寸寬。除此之外，高產(chǎn)的NanoOPS還具有可持續(xù)制造的優(yōu)點(diǎn)，同時能夠提升性能，實(shí)現(xiàn)從納米到微米的多尺度印刷，打印出20納米以內(nèi)的電子器件，并且有能耗低、投資低的優(yōu)點(diǎn)。

優(yōu)勢顯著的NanoOPS將會給人類生活帶來極大影響。據(jù)（美國）東北大學(xué)的報(bào)告稱，“一座微電子制造工廠往往要花費(fèi)數(shù)十億美元，并且需要大量的水和電資源支持。此外，目前生產(chǎn)納米級設(shè)備幾乎都沒有利用到納米材料，比如納米管、量子點(diǎn)和納米顆粒的獨(dú)特性能和屬性。而NanoOPS則提供了一種獨(dú)特的方法來制造包含了納米材料的制造設(shè)備和產(chǎn)品?！卑~德告訴記者：“除了使打印出來的電子器件和傳感器更適合每個人，NanoOPS還將制造出其他運(yùn)行得更快、更好，節(jié)約更多電力的新穎設(shè)備。納米級印刷工藝是一種新的綠色納米制造技術(shù)，在常溫常壓下，除極少數(shù)情況需要使用電力外，大部分都是用水。我們甚至能夠使用這個技術(shù)來打印納米級的藥物模型，使得目前和未來的藥物傳輸效率提高10倍，高效到達(dá)人體細(xì)胞?！?/p>

據(jù)艾哈邁德介紹，全自動化的NanoOPS樣機(jī)已經(jīng)向58家企業(yè)展示過。到2025年，物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目規(guī)劃創(chuàng)造30-110億美元的影響力，這需要成千上萬的廉價、低功耗的傳感器以及電子器件。艾哈邁德認(rèn)為，只有降低用于無所不在的傳感器和電子器件的成本才能實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)。

除了加工電子器件，印刷傳感器是NanoOPS另一重要價值。艾哈邁德表示，“NanoOPS可以打印出用于檢測化學(xué)或生物標(biāo)記物和其他類型傳感器的極小的無線傳感器，同時也包括植入的傳感器、電力電子、顯示器、NEMS、能量收集等?！睋?jù)悉，目前的商用硫化氫化學(xué)傳感器是使用血液來檢測血糖的，尺寸大、耗能高，大多數(shù)不可穿戴，非柔性且有線。而CHN研發(fā)的無需媒介的第三代傳感器——硫化氫化學(xué)傳感器，使用汗液或眼淚就能夠檢測血糖，還可用于檢測病毒、細(xì)菌、癌癥等，是一項(xiàng)具有突破性意義的技術(shù)。據(jù)介紹，NanoOPS打印出的傳感器的成本僅是目前市場上硅傳感器的百分之一到十分之一。

多年來埋頭鉆研納米級3D打印技術(shù)的艾哈邁德對這項(xiàng)將在各工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生革命性影響的NanoOPS技術(shù)寄予了厚望，他告訴記者：“除了制造傳感器和電子產(chǎn)品之外，我還想用它來打印能源類、醫(yī)療或材料應(yīng)用類。印刷電子器件和傳感器的其它優(yōu)勢是可持續(xù)制造、性能改進(jìn)、透明度和新材料的使用等。此外，因?yàn)殚_發(fā)費(fèi)用和生產(chǎn)成本低，這項(xiàng)技術(shù)將打開許多新應(yīng)用程序的大門。例如，一個納米加工設(shè)施系統(tǒng)只需投入約5000萬美元，這在今天看來算是較低的成本。低成本讓數(shù)百萬的創(chuàng)新者和創(chuàng)業(yè)者們對納米技術(shù)不再望而卻步，將大大降低行業(yè)壁壘，從而創(chuàng)造出全新的產(chǎn)業(yè)鏈?！?/p>

每天都在工作 包括周末

艾哈邁德的日常工作非常繁忙。除了擔(dān)任（美國）東北大學(xué)高效納米制造科學(xué)工程中心的總監(jiān)外，艾哈邁德還是（美國）東北大學(xué)微污染控制中心的主任。“主要處理制造產(chǎn)品過程中產(chǎn)生的污染，重點(diǎn)關(guān)注納米電子學(xué)領(lǐng)域的常規(guī)納米制造中的微污染。主要涉及當(dāng)今常規(guī)納米電子學(xué)不斷增加的納米制造產(chǎn)量?！卑~德是表面清潔和污染控制領(lǐng)域國際公認(rèn)的權(quán)威專家，是開發(fā)納米尺度元素（如碳納米管，納米粒子等）的快速大規(guī)模定向組裝的領(lǐng)導(dǎo)者。這包括開發(fā)模板，以在短時間內(nèi)（以秒為單位）和大面積地將納米元件組裝成納米級結(jié)構(gòu)。不僅如此，艾哈邁德在評審期刊、訴訟和會議上發(fā)表了600多篇論文，擁有80項(xiàng)專利和專利申請。他在許多咨詢委員會任職，其中包括三星電子。他還是美國機(jī)械工程學(xué)會會員，粘合學(xué)會會員，AIAA和IES的副研究員，獲得過富布萊特高級學(xué)者獎，道明杰出青年學(xué)者獎（ASEE）。

艾哈邁德的履歷非常豐富且出色，但身兼多職的他出于熱愛和社會責(zé)任感，對NanoOPS注入了巨大的熱情。艾哈邁德告訴記者：“我希望未來每個人都能使用到這項(xiàng)技術(shù)，所以我每天都在工作包括周末。CHN非常重視社會責(zé)任，這也是發(fā)明NanoOPS的一個動力因素。我們做了生命周期分析，計(jì)算了印刷產(chǎn)品產(chǎn)生的碳排放量。事實(shí)上，這是一項(xiàng)可以在常溫常壓下制造電子器件的綠色技術(shù)。此外，我們基于調(diào)研結(jié)果還制定了安全處理和使用納米材料的基礎(chǔ)協(xié)議?！被蛟S，NanoOPS 3D打印技術(shù)對艾哈邁德來說已不僅僅是工作。當(dāng)記者問到“拋開工作還有哪些興趣愛好？”時，艾哈邁德依然想著NanoOPS 3D打印技術(shù)，“閑暇時，我喜歡閱讀、跑步、游泳，另外還包括研究我很感興趣的技術(shù)，比如納米級打印技術(shù)。”有如此鉆研的勁頭，也難怪艾哈邁德帶領(lǐng)的CHN能研發(fā)出改變未來制造的NanoOPS 3D打印機(jī)。

結(jié)語

可以說，納米技術(shù)能真正改變制造，而且這并不遙遠(yuǎn)。NanoOPS系統(tǒng)的運(yùn)行、生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于普通的納米制造設(shè)備，且因使用新材料和基材，許多以前不可能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用都將在不久的將來成為可能，這也讓NanoOPS具備了商業(yè)化的廣闊前景。高精尖科技行業(yè)對常人來說似乎陌生又遙遠(yuǎn)，但人類生活卻正因這些高科技背后人才的不斷鉆研，促進(jìn)科技的向前發(fā)展，才變得越來越好。