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pos機(jī)me31打印紙
近日，哈佛大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種新型聲波打印技術(shù)：利用聲波產(chǎn)生的力精確控制用于打印的液滴，將讓噴墨式打印不再受材料限制，而且適用的打印材料范圍前所未有地廣泛。
這項(xiàng)技術(shù)在新型生物制藥、化妝品和食品制造行業(yè)有很大的應(yīng)用潛力，也將給光學(xué)材料和導(dǎo)電材料領(lǐng)域的發(fā)展也帶來(lái)了新的可能性。
這項(xiàng)研究成果于 8 月 31 日發(fā)表在著名國(guó)際期刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。
論文的通訊作者、哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的生物工程學(xué)教授 Jennifer Lewis 說(shuō)：“我們發(fā)明的這種聲波打印技術(shù)，利用了聲波產(chǎn)生的力，能按照需求打印任意的材料?！?Lewis 教授也是哈佛大學(xué)威斯生物工程研究所（Wyss Institute forBiologically Inspired Engineering）的核心教員。
圖 | 在聲波打印中，聲波產(chǎn)生可控的力，當(dāng)噴嘴處液滴達(dá)到某個(gè)尺寸時(shí)，能將液滴拽離噴嘴并射向基座，就像從樹(shù)上摘下一個(gè)個(gè)蘋(píng)果。來(lái)源：Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis/Harvard University
從自然界乃至工業(yè)界，小小的液滴都有很多應(yīng)用，比如油墨打印以及藥物遞送系統(tǒng)中用到的微膠囊。
噴墨打?。↖nkjet printing）是一種非常常見(jiàn)的打印技術(shù)，通過(guò)將墨滴噴射到紙張、塑料或其他基座上來(lái)重建數(shù)字圖像。打印機(jī)就是基于這一技術(shù)。
這一技術(shù)的特點(diǎn)是只適用于那些粘度僅比水的粘度高約 10 倍的液體，但是實(shí)際上很多研究人員感興趣的液體在粘度方面恰恰遠(yuǎn)比這要高。比如，在生物醫(yī)藥和生物打印中至關(guān)重要的聚合物以及細(xì)胞混合液等生物墨水，它們的粘度至少要比水高出 100 倍。此外，一些糖基的生物聚合物甚至像蜂蜜一樣粘稠，粘度高達(dá)水的 2.5 萬(wàn)倍之多！
另一方面，這些液體的粘度也會(huì)隨著溫度和成分的變化而發(fā)生劇烈的變化，因此想要優(yōu)化打印參數(shù)以控制液滴的尺寸就變得更加困難。
圖 | 蜂蜜是一種典型的粘稠液體，比水的粘稠度要高 2.5 萬(wàn)倍。聲波打印適用于形成任意液體的液滴，能從充滿(mǎn)蜂蜜的墨盒中產(chǎn)生極其微小的單個(gè)蜂蜜液滴。來(lái)源：Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis/Harvard University
“我們的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一套不受液體材料特性限制的打印系統(tǒng)，尤其是要不受液體粘度影響”，論文的第一作者 Daniele Foresti 說(shuō)。Daniele Foresti 是科學(xué)學(xué)會(huì) Branco Weiss 會(huì)員（Society in Science - BrancoWeiss Fellow），也是哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院和威斯生物工程研究所材料科學(xué)與機(jī)械工程系的助理研究員。
圖 | 在聲波打印中，噴射出的液滴能以任意的排布沉積在基底上。本圖是將蜂蜜液滴陣列打印在玻璃片上。來(lái)源：Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis/Harvard University
眾所周知，由于重力作用，所有的液滴都會(huì)往下滴——不管是沿著水龍頭快速滴下的水，還是數(shù)年才會(huì)落下一滴的瀝青。然而，如果打印時(shí)僅有重力的作用，液滴的尺寸就會(huì)很大，并且液滴的滴落速率很難控制。在著名的瀝青滴漏實(shí)驗(yàn)中，每十年才會(huì)有一滴瀝青滴落，科學(xué)家據(jù)此估測(cè)瀝青的粘度大約是水的 2000 億倍。
為了增強(qiáng)打印時(shí)形成液滴的能力，研究人員將目光轉(zhuǎn)向了聲波。聲波是一種壓力波，研究者通常利用這種壓力波來(lái)對(duì)抗重力作用，就像是聲懸浮（acoustic levitation）中的原理?，F(xiàn)在，研究者反過(guò)來(lái)利用這種聲波壓力來(lái)輔助重力作用，從而發(fā)明了這種新型打印技術(shù)：聲波打?。╝coustophoretic printing）。
圖 | 聲懸浮儀的工作原理。注：聲懸浮是高聲強(qiáng)條件下的一種非線性效應(yīng)，其基本原理是利用聲柱波與物體的相互作用產(chǎn)生豎直方向的懸浮力以克服物體的重量，同時(shí)產(chǎn)生水平方向的定位力將物體固定于聲壓波節(jié)處。來(lái)源：百度百科
為此，研究人員搭建了一個(gè)亞波長(zhǎng)聲波諧振器用來(lái)生成一個(gè)高度局域化的聲場(chǎng)，這個(gè)聲場(chǎng)所產(chǎn)生的拉力遠(yuǎn)超過(guò)打印噴嘴頂端法向重力（1G）的 100 倍，甚至達(dá)到太陽(yáng)表面引力的 4 倍之多！
當(dāng)液滴達(dá)到特定的尺寸時(shí)，這種可控的聲壓能將液滴從噴嘴中拉出，并將其射向打印基底。在這個(gè)過(guò)程中，聲波的振幅越高，液滴的尺寸就越小，而與流體的粘度無(wú)關(guān)。
圖 | 聲波打印用于液態(tài)金屬的打印。來(lái)源：Daniele Foresti, Jennifer A. Lewis/Harvard University
研究者使用了空氣超聲波（airborne ultrasounds），這一技術(shù)基本不受材料影響，所以即使是液態(tài)金屬也能很容易的打印出來(lái)。
Foresti 稱(chēng)：“這個(gè)技術(shù)的關(guān)鍵是產(chǎn)生一個(gè)高強(qiáng)的聲場(chǎng)，能從噴嘴處拽下一個(gè)個(gè)微小的液滴，就像是從樹(shù)上摘蘋(píng)果一樣。”
為了驗(yàn)證該技術(shù)的性能，研究人員測(cè)試了各種各樣的材料，從高粘度的蜂蜜到生物工程常用的干細(xì)胞生物墨水、生物聚合物等，此外還有光學(xué)樹(shù)脂、甚至是液態(tài)金屬等。值得注意的是，聲波并不會(huì)通過(guò)液滴而傳播，因此即使是易損的生物載體，如活細(xì)胞或蛋白質(zhì)大分子等，這種方法也是安全有效的。
“我們的技術(shù)應(yīng)該會(huì)對(duì)制藥業(yè)產(chǎn)生立竿見(jiàn)影的影響，”Lewis 說(shuō)，“不過(guò)，我們相信這也會(huì)成為其他多個(gè)行業(yè)的重要平臺(tái)?！?
“這是合作研究廣度和深度相結(jié)合的一個(gè)精妙而有影響力的例子，”美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）材料研究科學(xué)與工程中心（MRSEC）項(xiàng)目主任 Dan Finotello 說(shuō)，“作者開(kāi)發(fā)了一種新型的聲學(xué)打印平臺(tái)，與其他方法對(duì)比最大的優(yōu)勢(shì)是其與材料性質(zhì)無(wú)關(guān)，因此具有很好的打印通用性。（它的）應(yīng)用空間是無(wú)限的?！?
這項(xiàng)研究的其他共同作者是 Katharina Kroll、Robert Amissah、Francesco Sillani、Kimberly Homan 和 Dimos Poulikakos。哈佛大學(xué)技術(shù)發(fā)展辦公室（Office of Technology Development）以申報(bào)該項(xiàng)目有關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并且正在商業(yè)化該技術(shù)。
該研究由科學(xué)學(xué)會(huì) Branco Weiss 資金以及美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)通過(guò)哈佛大學(xué)材料科學(xué)與工程研究中心（MRSEC）資助。
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