改变未来制造的NanoOPS 3D打印机|——专访（美国）东北大学高效纳米制造科学工程中心总监Ahmed Busnaina

　　自从3D打印诞生以来，这项颠覆性的制造技术实现了太多人们难以想象的事情。制造、医疗、学术、航空航天、军事等多个领域都有它的身影。中国物联网校企联盟将其称作“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。2014年9月，（美国）东北大学 ① 高效纳米制造科学工程中心(以下简称CHN)的研究人员发布了世界上首个加工电子器件和传感器的全自动纳米级打印机——NanoOPS 3D打印机。此为何物？本期《消费电子》采访了CHN的总监艾哈迈德（Ahmed Busnaina），让他为我们揭开NanoOPS的神秘面纱。

　　节约10-100倍的制造成本

　　3D打印 ② 思想起源于19世纪末的美国，在20世纪80年代得到发展和推广。资料显示，3D打印技术的历史并不长。1986年，美国科学家查尔斯·赫尔（Charles Hull）开发了第一台商业3D打印机，被后人称为“3D打印技术之父”。通俗地说，3D打印机可以“打印”出真实的3D物体，比如打印机器人、玩具车，甚至是食物等各种模型。30多年来，3D打印技术实现了一次又一次突破，让人惊叹“不可思议”！

　　据了解，目前商用电子器件的制造成本仍然很高，2015年高达150亿美元，同时耗费大量的水电资源。艾哈迈德告诉记者：“我在传统的半导体制造工艺领域工作了20多年，当制造设备的成本跃升至几十亿美元（今天达到170亿美元）时，我认为应该有一种更简单、更低廉的，在同一尺度下实现制造电子产品的方法。而纳米技术显然更容易实现，因为现今油墨颗粒可以在纳米级下获得，这使得纳米级印刷技术成为可能。”近年来，3D打印的市场正在稳步扩大。微纳机电系统、生物医疗、组织工程、新材料、新能源、高清显示、微流控器件、微纳光学器件、微纳传感器、微纳电子、生物芯片、光电子和印刷电子等诸多领域对于复杂三维微纳米结构有着巨大的产业需求。在各方因素的促使下，加工电子器件和传感器的全自动NanoOPS 3D打印机应运而生。CHN长期以来一直在研究纳米技术，他们在2014年发布的NanoOPS 3D打印机，可能会在纳米级制造领域造成突破性影响。

　　体型巨大、几乎充满整个房间的纳米级柯式打印系统（NanoscaleOffset Printing System），简称NanoOPS。看起来，NanoOPS是个巨大的六边形机器，约有7英尺（约2.13米）宽，中心固定着一个机械臂，用以转移模板和产品。其工作原理与常见的挤出式3D打印机逐层堆积树脂或塑料不同，纳米3D打印机一开始就会在产品的模具或模板上打印。需要打印的计算机芯片或另一块电子器件会浸入含有微小纳米粒子的溶液。系统会向溶液施加电脉冲，以引导纳米粒子附着在需打印的产品上，通过精确控制粒子数量生成任意形状。

　　艾哈迈德表示：“我们开发的NanoOPS技术使整个行业和研究人员都能够以同样的尺度（纳米级）印刷传感器、电子设备，就像今天的电子产品一样具有高吞量。这意味着它可以比当今的打印技术如喷墨打印或三维打印的速度快1000倍，尺度小100倍。”NanoOPS可以用来制造新的、更实惠的电子产品、药品，更强、更轻、更智能的复合材料，或更快、更便宜的能源采集和存储设备。

　　除此之外，艾哈迈德还告诉记者：“NanoOPS是目前制造电子产品唯一可行的替代品，因为目前的印刷技术使用的还是40年前在半导体制造业中使用的刻度。”当前电子工业和3D打印使用的是喷墨技术，用于打印低端电子器件、柔性显示器、无线射频识别等，且仅可以实现20微米（20,000纳米）打印。20微米是1975年硅电子器件的线宽。据艾哈迈德介绍：“目前印刷技术能做到的最小电路线长20000纳米，宽小于20纳米。而美国国家科学基金会（NSF）非常支持并资助了东北大学的高效纳米制造科学工程中心，我们已经研发出了能够打印最小线宽20纳米以下的电子器件技术。”总的来说，NanoOPS的突破性体现在四方面：10-100倍的节约电子器件的制造成本；可应用于任何刚性或柔性表面；可在常温常压下制造器件；可使用任何导体、半导体或绝缘材料。

　　《消费电子》执行社长王福山/美国东北大学高效纳米制造科学工程中心总监Ahmed Busnaina

　　用汗液/眼泪即可测血糖的传感器

　　NanoOPS面世后获得了许多奖项和荣誉。在艾哈迈德看来，除了比常规制造的成本低10-100倍外，NanoOPS最大的优点在于它可以印刷传感器、电子器件、能源设备等其他设备以及可以使用任何导电、半导体或绝缘材料（有机或无机）。在几分钟内，NanoOPS就能在柔性或硬质基板上3D打印出纳米结构和电路上的柔性或硬质基板。这些基板尺寸最大可达8英寸宽。除此之外，高产的NanoOPS还具有可持续制造的优点，同时能够提升性能，实现从纳米到微米的多尺度印刷，打印出20纳米以内的电子器件，并且有能耗低、投资低的优点。

　　优势显著的NanoOPS将会给人类生活带来极大影响。据（美国）东北大学的报告称，“一座微电子制造工厂往往要花费数十亿美元，并且需要大量的水和电资源支持。此外，目前生产纳米级设备几乎都没有利用到纳米材料，比如纳米管、量子点和纳米颗粒的独特性能和属性。而NanoOPS则提供了一种独特的方法来制造包含了纳米材料的制造设备和产品。”艾哈迈德告诉记者：“除了使打印出来的电子器件和传感器更适合每个人，NanoOPS还将制造出其他运行得更快、更好，节约更多电力的新颖设备。纳米级印刷工艺是一种新的绿色纳米制造技术，在常温常压下，除极少数情况需要使用电力外，大部分都是用水。我们甚至能够使用这个技术来打印纳米级的药物模型，使得目前和未来的药物传输效率提高10倍，高效到达人体细胞。”

　　据艾哈迈德介绍，全自动化的NanoOPS样机已经向58家企业展示过。到2025年，物联网项目规划创造30-110亿美元的影响力，这需要成千上万的廉价、低功耗的传感器以及电子器件。艾哈迈德认为，只有降低用于无所不在的传感器和电子器件的成本才能实现物联网。

　　除了加工电子器件，印刷传感器是NanoOPS另一重要价值。艾哈迈德表示，“NanoOPS可以打印出用于检测化学或生物标记物和其他类型传感器的极小的无线传感器，同时也包括植入的传感器、电力电子、显示器、NEMS、能量收集等。”据悉，目前的商用硫化氢化学传感器是使用血液来检测血糖的，尺寸大、耗能高，大多数不可穿戴，非柔性且有线。而CHN研发的无需媒介的第三代传感器——硫化氢化学传感器，使用汗液或眼泪就能够检测血糖，还可用于检测病毒、细菌、癌症等，是一项具有突破性意义的技术。据介绍，NanoOPS打印出的传感器的成本仅是目前市场上硅传感器的百分之一到十分之一。

　　多年来埋头钻研纳米级3D打印技术的艾哈迈德对这项将在各工业领域产生革命性影响的NanoOPS技术寄予了厚望，他告诉记者：“除了制造传感器和电子产品之外，我还想用它来打印能源类、医疗或材料应用类。印刷电子器件和传感器的其它优势是可持续制造、性能改进、透明度和新材料的使用等。此外，因为开发费用和生产成本低，这项技术将打开许多新应用程序的大门。例如，一个纳米加工设施系统只需投入约5000万美元，这在今天看来算是较低的成本。低成本让数百万的创新者和创业者们对纳米技术不再望而却步，将大大降低行业壁垒，从而创造出全新的产业链。”

　　每天都在工作 包括周末

　　艾哈迈德的日常工作非常繁忙。除了担任（美国）东北大学高效纳米制造科学工程中心的总监外，艾哈迈德还是（美国）东北大学微污染控制中心的主任。“主要处理制造产品过程中产生的污染，重点关注纳米电子学领域的常规纳米制造中的微污染。主要涉及当今常规纳米电子学不断增加的纳米制造产量。”艾哈迈德是表面清洁和污染控制领域国际公认的权威专家，是开发纳米尺度元素（如碳纳米管，纳米粒子等）的快速大规模定向组装的领导者。这包括开发模板，以在短时间内（以秒为单位）和大面积地将纳米元件组装成纳米级结构。不仅如此，艾哈迈德在评审期刊、诉讼和会议上发表了600多篇论文，拥有80项专利和专利申请。他在许多咨询委员会任职，其中包括三星电子。他还是美国机械工程学会会员，粘合学会会员，AIAA和IES的副研究员，获得过富布莱特高级学者奖，道明杰出青年学者奖（ASEE）。

　　艾哈迈德的履历非常丰富且出色，但身兼多职的他出于热爱和社会责任感，对NanoOPS注入了巨大的热情。艾哈迈德告诉记者：“我希望未来每个人都能使用到这项技术，所以我每天都在工作包括周末。CHN非常重视社会责任，这也是发明NanoOPS的一个动力因素。我们做了生命周期分析，计算了印刷产品产生的碳排放量。事实上，这是一项可以在常温常压下制造电子器件的绿色技术。此外，我们基于调研结果还制定了安全处理和使用纳米材料的基础协议。”或许，NanoOPS 3D打印技术对艾哈迈德来说已不仅仅是工作。当记者问到“抛开工作还有哪些兴趣爱好？”时，艾哈迈德依然想着NanoOPS3D打印技术，“闲暇时，我喜欢阅读、跑步、游泳，另外还包括研究我很感兴趣的技术，比如纳米级打印技术。”有如此钻研的劲头，也难怪艾哈迈德带领的CHN能研发出改变未来制造的NanoOPS 3D打印机。

　　结语

　　可以说，纳米技术能真正改变制造，而且这并不遥远。NanoOPS系统的运行、生产成本远低于普通的纳米制造设备，且因使用新材料和基材，许多以前不可能实现的应用都将在不久的将来成为可能，这也让NanoOPS具备了商业化的广阔前景。高精尖科技行业对常人来说似乎陌生又遥远，但人类生活却正因这些高科技背后人才的不断钻研，促进科技的向前发展，才变得越来越好。

　　注释①

　　美国东北大学(NortheasternUniversity)成立于1898年，是全美最大的私立大学，类型为研究型大学，自我定位为交叉学科的领航者。主校园占地73英亩(300,000 m2)，位于波士顿市，紧邻著名的哈佛大学和麻省理工学院。

　　注释②

　　3D打印是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，是快速成型技术的一种。其实，3D打印机与普通打印机的工作原理基本相同，只是打印的材料不同。普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料。打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。