宋延林：改變未來的納米印刷技術(shù)

“CC講壇(第六期)”于2015年3月28日在北京舉行。上圖為中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員、博士生導(dǎo)師，綠色印刷重點實驗室主任宋延林。

　　以下為演講實錄：

宋延林：大家好，我們知道在自然界中有很多有趣的現(xiàn)象，比如說荷葉可以出淤泥而不染，科學(xué)家經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，荷葉的這種特性跟表面納微米結(jié)構(gòu)有關(guān)系，再舉一個例子，壁虎能夠飛檐走壁，科學(xué)家也是發(fā)現(xiàn)在壁虎的腳掌上面有精細的結(jié)構(gòu)，精細的納米和微米的結(jié)構(gòu)組合造成他能夠黏附在很多物體光滑的表面。納米的技術(shù)究竟對我們的生活，為我們的產(chǎn)業(yè)會產(chǎn)生什么樣的影響，就像今天結(jié)合這兩個例子，一個是表面憎水的效應(yīng)，一個黏附作用，對我們熟悉的印刷術(shù)會產(chǎn)生什么樣的關(guān)系。

說起印刷術(shù)大家很熟悉，活字印刷是基于物理成像，就是基于物理的結(jié)構(gòu)，這兩個技術(shù)共性特征就是簡法，我們要刻一個字，把不需要的地方刻掉，通過一個激光照牌做一張印版，需要通過曝光的方式，把不需要的給腐蝕掉。我們有沒有可能改變這個過程。把納米材料跟兩個相關(guān)的特性，跟印刷的需求結(jié)合起來。大家看一下右下角，這是激光照牌制造過程，從這個看起來很像傳統(tǒng)膠卷照相的過程，第一步先把要印的東西，它的圖象曝光在一個感光膠片上，當(dāng)然感光膠片需要曝光顯影，才能得到，這個膠片出來以后，再就像我們洗像一樣，再經(jīng)過沖洗，才能得到最終的版本。這兩個感光和沖洗過程就會產(chǎn)生非常大的污染，我們現(xiàn)在想了一個辦法就是，我們直接基于剛才講的納米材料對表面親水、親油性的控制，可以直接打出一個圖片，這樣是不是就直接可以上去印刷了，想起來道理很簡單，但是這是國際性的挑戰(zhàn)，首先空白區(qū)反差夠不夠大，這個就像我們第一個例子一樣，必須靠納米結(jié)構(gòu)來解決這個問題。

第二個普通的墨水打到印板上以后很快就會磨掉，印報紙要印到十萬份，怎么解決這個問題，我們用一個納米顆粒符合增強的技術(shù)，原理也很簡單，就像我們鋪柏油馬路，提高它的耐磨性，在我們技術(shù)里面，必須小到納米尺度，就是幾百個納米以下，這樣才能保證我在打印過程中，能保證它的流暢性?？雌饋磉@是個非常簡單，又非常環(huán)保的技術(shù)，可以從根本上解決目前感光成像印刷出版技術(shù)的缺陷。但是印版做出來以后，送到印刷車間，我們都知道，要用油墨，這個油不是我們食用油，而是使用了一些甲苯類的溶劑，會嚴重影響我們的健康，因為我們知道小食品包裝，用到塑料的包裝是非常多，如果殘留不解決，其實不僅是環(huán)保問題，還是個很大的安全隱患。為什么不能用水性的油墨來用于產(chǎn)品包裝呢，水性墨大家知道在塑料上由于表面不一樣，非常難黏附的，這個物體怎么解決，我們也是靠納米材料去解決的，經(jīng)過努力用水性墨在塑料上面印出精美的圖案，這樣根本上解決了印刷過程中制版的污染和后邊印刷車間排放的問題。把這個技術(shù)再進一步往下發(fā)展，把印刷技術(shù)和新材料的技術(shù)結(jié)合起來，可以改變很多傳統(tǒng)體量非常大，但是污染和消耗非常嚴重產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)的方式。比如說我們印染中國應(yīng)該是世界第一的產(chǎn)量，但是污染大家也知道是非常嚴重的，我們把印染的顏料、染料做成墨水，通過打印的方式，可以在不同的材料上面，比如說棉布、化纖、絲綢，這些不同的材料，實際上表面差別非常大的，你能在絲綢上打印好，但是在化纖上打印不好，怎么控制這個問題，就是靠納米材料解決。如果我們用新的打印的方式，可以做出個性化的服裝，全世界獨一件，又可以根本上解決這樣一個生產(chǎn)制造過程的污染問題。還有我們現(xiàn)在生活水平提高了，大家用陶瓷、玻璃做一個屏風(fēng)，做一個個性化的圖案，如果到陶瓷廠燒制，就是非常昂貴的，我們用墨水打印就非常簡單實現(xiàn)這一點。從圖片上可以看到，不論在陶瓷還是玻璃上面，都可以打出非常漂亮，非常精美的圖案，這樣符合大家對個性化裝修的要求。從更大的意義上，我們通過材料技術(shù)的進步和印刷技術(shù)的結(jié)合和打印技術(shù)的結(jié)合，都可以根本上解決傳統(tǒng)的印刷、印染包括建筑材料這方面的高能耗、高污染的問題。

我們再把這個技術(shù)再擴展起來，跟印刷相關(guān)的還有什么污染的問題？我們可以通過新的納米材料為代表的新技術(shù)，能夠從根本上得到解決。我們很快就會想到染料、顏料，染料、顏料生產(chǎn)的過程是非常污染的過程，而使用的過程也會消耗大量的潔凈水，我們國家占全世界染料生產(chǎn)60%，我們?yōu)槿澜绲拿利惛冻隽司薮蟮沫h(huán)境的代價，但是沒有人感謝我們。我們怎么樣通過中國科研的技術(shù)進步，能夠解決這個問題，我們開始從自然界中學(xué)習(xí)，大家看這個圖片，這種漂亮的寶石，蝴蝶的翅膀，它的顏色不是染料產(chǎn)生的，我們叫結(jié)構(gòu)色彩，因為納米自身的結(jié)構(gòu)，這種特殊的顏色就完全沒有色素的影響，也就是說是一種非常環(huán)保的成色的體系，當(dāng)然這種材料更重要的意義叫光學(xué)的半導(dǎo)體，這么重要的材料，全世界科學(xué)家都在研究，我個人認為，誰能把它變成批量化、工業(yè)化生產(chǎn)，這也是全世界的挑戰(zhàn)。科學(xué)家總是在實驗室里邊做出非常小量的東西去寫論文，但是應(yīng)用的時候就要很難，誰能大量做，低成本做，這個也是非常難的事情，好在我們把它解決了。我們靠什么解決，合成不同的納米顆粒，控制納米顆粒的尺寸，可以得到不同的顏色，這種顏色就可以不會褪色，光澤也非常好，而且成色的效果，可以看不同的角度，可以得到不同顏色的效果，我這有一張樣品，不知道能不能看到，從不同的角度看，實際上這個顏色是有變化的，是非常漂亮的。將來我們跟3D打印技術(shù)結(jié)合起來，這個成色效果跟寶石是一樣的，我們跟3D打印技術(shù)結(jié)合起來，把這個做成墨水，漂亮的女士想做一個什么樣的首飾，自己在電腦上設(shè)計形狀，我通過買墨水回去自己打印。這個事情解決以后，其實更重要的意義，是能夠提供一種新型的智能化包裝的材料，也許從明年，因為商業(yè)秘密的問題，我不能講哪個品牌，你們可以從一些著名化妝品包裝上面能看到我們的技術(shù)和產(chǎn)品，大家看非常漂亮的，用非金屬做出金屬色，用無色的原料做成彩色出來，像寶石一樣絢爛。另外它還有一種新的功能，比如像右下角，可以對環(huán)境溫度、濕度做出反應(yīng)，溫度高或者低，用什么樣的化妝品，也會通過顏色來告訴你，更進一步我們在一些食品的包裝，藥品的包裝，涉及到安全性的問題，腐敗了，變質(zhì)了，不能用了，都可以通過直觀顏色的改變，告訴你這個東西不能吃了，所以這樣納米材料新的，從傳統(tǒng)印刷進入到印刷包裝里面，可以給我們整個感受是非常人性化、智能化的進步。

剛才介紹了這么多，把納米材料和印刷技術(shù)結(jié)合起來，可以對非常重要的傳統(tǒng)行業(yè)有根本性的變化，現(xiàn)在都說進入了信息社會，我們靠網(wǎng)絡(luò)，納米技術(shù)在這個領(lǐng)域能夠發(fā)揮什么作用？我們中國改革開放30年，經(jīng)濟得到了高速的發(fā)展，全世界都肯定這一點。但是這是2012年時代周刊的封面，中國經(jīng)濟進步靠什么，上面看，大煙囪，靠犧牲環(huán)境，下面蘋果手機上面有很多螞蟻一樣的人，靠廉價勞動力，這兩個因素在今后經(jīng)濟發(fā)展中已經(jīng)不可能完全持續(xù)，因為環(huán)境已經(jīng)惡化到不能忍受的地方，我們勞動力成本在不斷上升，就是一些低端利潤比較薄的產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)在不斷往東南亞去轉(zhuǎn)移。我們中國經(jīng)濟靠什么，中國科研的人員能不能靠自主創(chuàng)新的技術(shù)，支撐我們國家經(jīng)濟的發(fā)展，這個問題我想也是我們政府我們老百姓對中國科學(xué)家的一個期望，也應(yīng)該是一種責(zé)任。

我們看，在信息技術(shù)里邊，有一個基本的單元，我們叫印刷電路板，剛才我們介紹的印刷板的過程跟印刷電路板過程幾乎是一樣的，就是電路是什么樣的圖形，先在感光膠片上，經(jīng)過曝光、蝕刻，留下的是我們需要的。大家想想一張銅板，80%以上的銅被腐蝕掉，腐蝕掉以后就排到地下，排的銅還有其他的超過十幾萬噸，這樣以至于影響我們的食物鏈，我們可以把金銀銅的金屬做成納米顆粒，做成導(dǎo)電的油墨，通過打印，通過印刷形成電路，是不是能實現(xiàn)。我們打印出一條線，就可以當(dāng)電線用，就可以代表LED燈泡，在去年剛剛開過的APEC期間中，我們享受了APEC藍，會場六個門卡都是按照我們的技術(shù)，里邊所有電線和電路都是通過我們的納米技術(shù)建造出來，這是中國的科學(xué)家對技術(shù)的進步做出的貢獻。

大家聽了覺得你們做的還不錯，這么好的事情，為什么我們能夠做出來，為什么沒有早一點把它做出來，實際上它是一個涉及到非常多國際性的科學(xué)和技術(shù)的難題，簡單講一個例子。就是著名的咖啡環(huán)效應(yīng)，一杯咖啡干的時候會形成空心環(huán)，大家可能有這種感性的認識，這是整個搞化學(xué)，特別跟印刷技術(shù)相關(guān)的一個國際性的難題，如果這個問題不解決，你印刷的精度就不能控制，剛才說打印電路都是空心，導(dǎo)電性怎么提高？好在這個問題又是跟剛才說的一樣，問題很難，但是我們把它解決了。對于科研人來講，最大的成就感就是這句話，這件事很難，我們把它做好了。我們可以打出縮小一個數(shù)量級的墨點，這個墨點上面納米顆粒是精密堆積的，這樣可以保證我們大大提高印刷的精度，可以改善我們印刷電路的導(dǎo)電性。對于科研人員來講，還有什么？你能不能把這個事情做到極致，讓別人都承認你是世界第一，怎么樣能做到世界第一呢？就是說你打印一個墨滴只含一個納米顆粒，你這一個納米顆粒是不是做了幾百個實驗，挑出來的，我想要一個有一個，想要兩個有兩個，一二三四五，這是我們認識的規(guī)律，去掌握規(guī)律和應(yīng)用規(guī)律的一個過程，我們在這方面是走在世界最前列的。這個問題怎么解決？還是通過納米材料界面效應(yīng)，是這樣鋪展、蒸發(fā)、縮小，咖啡環(huán)效應(yīng)不可避免，我們現(xiàn)在怎么樣，通過納米界面材料的應(yīng)用，讓它干燥、收縮，干燥，所以我們能夠做到世界上最小的墨點，而且有一個更大的夢想，我們中國人去書寫現(xiàn)代的綠色印刷的，我們要做世界上最小的一點，最細的線，最平的面，點線面都能做到世界最好，那你一定是世界最好。而且我們要提出三個公式，我們叫第一定律，第二定律，第三定律，非常難，但是我們要把它做好。我們可以做很多事情，我們可以做觸摸屏，可以通過印刷的方式做觸摸屏，這個已經(jīng)實現(xiàn)了，普通印刷只能印到幾十個微米，我們可以印到幾十個納米左右，這樣的技術(shù)達到我們做硬件最高的技術(shù)，芯片加工核心的技術(shù)，我們知道芯片是我們每年中國進口最大量的產(chǎn)品，每年超過2000億美金，為什么？我們沒有核心的技術(shù)，我們每年石油的進口也才1200億美元，核心技術(shù)誰有？因特爾有，你要買它的專利，你不能引進他最先進的生產(chǎn)線，我們中國將來有沒有可能自主知識產(chǎn)權(quán)去生產(chǎn)，我覺得這是提供了一種可能，我們直接在硅片上，為什么要在硅片上印刷，在硅片上加工，直接可以達到目前最高精度的電路，這是一個標志性的技術(shù)。這個在發(fā)表文章之前，首先申請了三項國際標準，這也對我們將來印刷技術(shù)芯片產(chǎn)業(yè)提供了可能性。

我們還可以做電路板，可以做芯片，我們還可以做更高性能的顯示器，我們知道，現(xiàn)在液晶顯示的方式，有它本質(zhì)上的一些缺陷，我們看不同的角度，它的顏色、亮度會有偏差，甚至到一定角度因為，看起來整個是黑屏的，這是跟它成像原理有關(guān)系，我們怎么樣解決，把納米材料和印刷技術(shù)結(jié)合，大家看中國科學(xué)院化學(xué)的縮寫，從5度看，顏色和亮度是一樣的，從世界上任何角度看，中科院都是沒有變的，這個意義在哪兒，將來我們發(fā)展柔性顯示，一定要變角度，可彎曲，不同角度看，成像是沒法保證的，我們實際上解決了最關(guān)鍵的基礎(chǔ)問題。對我們中國發(fā)展這方面的產(chǎn)業(yè)提供了自主知識產(chǎn)權(quán)。還可以把印刷技術(shù)發(fā)展到生物芯片上去，每天早晨一個小時多有濕潤的空氣，把這個濕潤空氣凝結(jié)到背上，是一個疏水的背，霧滴凝結(jié)在親水點上面去，把這個原理利用起來，可以做出一種高密度檢測的生物芯片，在一個疏水的器材上，打出斑點，這種非常微量的血樣就可以富集到要檢測的區(qū)域，這樣可以把檢測的靈敏度提高。

講完這些故事以后，我們就知道印刷是非常了不起的技術(shù)，中國人有可能在這個領(lǐng)域，再為世界做出非常大的貢獻，我們現(xiàn)在除了傳統(tǒng)的印書印報，可以印染，可以印建材，可以引各種各樣電路、顯示器，我們將來想象一下，將來有可能一天，帶著一個塑料薄膜，有芯片，有電路板，有顯示器，就是一張紙，卷起來就走，解決所有的生存問題。更遠的想象，我們把所有的東西都集成在服裝上邊，所有的信息交換處理，以及甚至能源，我們穿的衣服，都完全可以解決，這也是我們?nèi)祟愇磥戆l(fā)展的夢想。概括一下，印刷術(shù)從最早的活字印刷，印書印報到現(xiàn)在可以印手機觸摸屏，印電路板，到將來智能服裝，一步一步印刷技術(shù)隨著材料的進步，一步一步把人類推向一個更高的智慧的階段。未來的發(fā)展我個人也提出了所謂的綠色印刷、制造的概念，因為大家以前認為印刷就是印書印報，我們?nèi)ツ曛锌圃合葘?dǎo)的計劃，我做項目負責(zé)人提出，印刷不僅是傳遞信息的方式，它還是一種先進的制造方式，這種先進在哪兒，系統(tǒng)加法工藝，節(jié)省材料，減少污染，而且是從根本上的，所以印刷技術(shù)和納米材料的結(jié)合，給印刷技術(shù)也提供了很大廣大的發(fā)展空間，我下面想告訴大家，化學(xué)是創(chuàng)造美好的生活，謝謝。