出品：科普中国
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监制：中国科学院计算机网络信息中心
随着科学技术的全面发展，人类社会已经进入了信息化的数字时代。芯片——作为各种电子设备的“小心脏”，盘踞着如同迷宫般复杂的集成电路，而集成电路的生产工艺也就成为推动电子数码时代进步的重要动力。但是，传统的集成电路采用光刻的刻蚀工艺进行生产，不仅生产效率低而且污染环境，为了有效解决这一矛盾，科学家创造性地将绿色印刷技术应用于集成电路的制造，并且发明了3D印刷集成电路的新模式。从做“减法”到做“加法”，3D印刷技术真正实现了“更快、更高、更强”的技术目标，为信息产业的不断壮大注入了新的强劲动力。
更“高”：纳米尺度的自成型
传统的3D打印，无论是以光引发聚合还是浆料沉积方式，都是通过层层堆叠的方式将多层平面结构堆叠成三维结构，就会存在无法直接制造悬空结构，且所用材料十分有限的问题。而3D印刷就是通过直接控制含有功能材料的墨滴在模板间有序自成形的过程，实现3D微纳结构的一步构建。举个例子，生活中我们所看到的水滴和气泡都是圆形的，这是因为球体的比表面最小，以球形方式存在的液体就具有最低的表面能，也就是水滴在最稳定状态。而局限在模板间的墨滴，同样也会自发收缩到具有最低表面能的状态，形成立体的连续空间，以供功能材料三维自组装成立体的微纳结构。中科院化学所宋延林研究员带领团队通过在模板间多次添加含有不同功能材料的墨滴，实现了不同功能材料的精细3D微纳结构，利用墨滴三维自成形的策略实现了多材料3D微纳结构的批量快速制造。
图1 功能材料三维自组装成立体的微纳结构示意图
更“快”：快速印刷立体电路
中国科学院化学研究所绿色印刷实验室团队在宋延林老师的带领下，发展了新型的功能纳米材料的可控组装及精细图案化技术，并应用在柔性可穿戴传感器，透明导电膜，柔性显示器件等领域。而3D印刷就是这一工作的延续和发展，通过构筑微米尺度的模板结构，实现了对功能材料墨滴液膜三维多方向破裂行为的控制，从而得到精确组装的纳米材料图案。具体来说，墨滴在微米模板间随着溶剂的挥发，气液固三相接触线与气液两相线同时有序收缩，模板上的柱状结构就像钉子一样钉扎墨滴，使其达到具有最低表面能的稳定状态，形成了上下贯穿的自支撑三维空间，待溶剂完全挥发后，其中的功能纳米材料便在此空间内自组装为3D微纳结构。多次重复这种操作，便能得到多材料复合的3D微纳结构。
更“强”：从0到1的印刷法则应用
随着智能终端的普及和人工智能的不断发展，人们对更高性能且多功能电子产品的需求也在不断增加。宋延林研究员表示，在有限的电子线路板上排布更多的导电线路和电子元件就成为了一个难题，而在维度上的扩展就能很容易的解决这一难题。3D电子及立体电路的有效设计构造就成了当下一热点研究课题，通过3D印刷的方式就可实现银纳米颗粒高效大面积3D微纳结构制造。众所周知，金属银具有良好的导电性，由银纳米颗粒组装而成的3D结构就可作为立体电路整合在高性能电子线路板中。另一方面，通过多次3D印刷具有不同发光波长的量子点，所制备的多材料3D微纳结构在小于3微米的间隔出仍能发出不同颜色的光，使其在立体光学显示及微纳检测器件领域有着广阔的应用前景。
图2 中国科学院化学研究所宋延林研究员
3D印刷技术通过对液体表面行为的操控，快速并且精确地构建出三维的多材料架构，实现了功能材料与不同光电性质的完美结合。这种利用表面能量最小化驱动的自成型加工技术，不仅能够提高印刷集成电路的效率、保证电路集成组装的高精度，还实现了从“做减法”到“做加法”的华丽转身。未来，我们将会改变目前过度依赖进口的现状，牢牢掌握3D印刷集成电路的自主知识产权，真正将绿色环保的理念进行到底。
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