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宋延林:打印出“世界上最小的点”

“科创正青春”


(资料图片)

宋延林:打印出“世界上最小的点”

人民日报海外版记者 刘峣

“下面我跟大家介绍一下,绿色印刷盲文出版技术……”在实验室,中国科学院化学研究所研究员宋延林娓娓道来。6分多钟的视频中,一项项突破性的原理和成果,把绿色印刷的神奇和无限可能呈现在人们眼前。

2022年,在哔哩哔哩网站(B站)上,一个名为《盲文印刷》的视频意外走红。短短几天,视频便收获了数百万的浏览量。主持这项研究的正是宋延林和他的研究团队。从一滴墨的“产生”与“落地”,宋延林开发出一条绿色印刷路线,用“印刷”让世界变得更加美好。

从“减法”变“加法”

读书、读报、包装、刷卡……在人们的生活中,随处可见印刷产品的身影。

对于印刷术,中国人有深厚情感,但传统的印刷产业面临污染挑战。宋延林说,从最早的雕版印刷到活字印刷,再到以激光照排为代表的化学成像阶段,印刷一直是一种“减法”的技术。例如,激光照排会造成感光废液的排放和大量感光材料的浪费。

如何用“加法”代替“减法”,让印刷变得绿色无污染?宋延林提出了一个设想:在亲水的版材上,打出亲油的图案。“图案能沾油墨,空白区不沾油墨,这样就直接可以印刷了。”

在宋延林看来,这个大胆的想法源于他曾从事的信息储存研究。“信息储存和显示都可以转化为‘0’和‘1’的方式。沾油墨的地方是‘1’,没有油墨的区域‘0’,接下来就是探索用什么材料去实现。”

水滴在荷叶上自由滚落的场景,启发了宋延林寻找印刷材料的探索。“荷叶表面有一种微纳复合结构。我们靠纳米材料,增强其亲水性和亲油性的反差,并利用纳米颗粒复合增强耐印力,直接打印出能够沾油墨的图文区。”

回想起这段实现纳米绿色印刷技术突破的经历,宋延林感慨道,科学研究一定要敢于“想”,也要科学地“想”,直面和解决科研中的困难。“只有大胆创新、勇敢挑战、长期坚持,才可能取得突破性的成果。”

宋延林(右)在实验室工作。受访者供图

破解基础科学难题

“我们开始做纳米绿色印刷时立下一个目标,希望能够控制每一个墨滴精确成型,做世界上‘最小的点’‘最细的线’‘最薄的面’。”宋延林说。

几年前,当宋延林团队提出“纳米印刷”的概念时,也曾遭遇质疑。

“当时国际上印刷的精度还在微米尺度,从微米到纳米要跨越3个数量级,精度要提高1000倍。”宋延林直言,要想实现印刷精度的突破,必须直面很多基础科学问题的挑战。

其中之一叫作“咖啡环效应”——一滴咖啡在固体表面干燥的过程中,会不均匀地扩散,边缘厚、中间薄,形成一个不均匀的斑点。如果不能解决这一难题,精确控制印刷墨滴就成了不可能完成的任务。

为此,团队成员通过对液滴和材料表面相互作用的深入研究和精确控制,突破传统墨滴尺寸的局限,使打印的斑点实现纳米的精度,甚至可以精确地控制每一个墨滴里纳米颗粒的个数,打印出了“世界上最小的点”。

此后,宋延林团队又相继解决了“瑞利不稳定性”“马拉格尼效应”等“线”和“面”的基础科学难题,真正把印刷术的整体精度从微米尺度推进到了纳米尺度。

“同时,我们还希望对每一个过程给出一个量化公式或相图,指导今后更深入的研究,为印刷技术的发展作出更多贡献。”宋延林说。

做有温度的科研

几年前,宋延林听到了一位小女孩演唱的歌曲——《你是我的眼》。歌词里描述的盲人生活,让他辗转反侧。

“我们的研究能不能为盲人做些什么?”宋延林把目光投向了盲文印刷领域。

传统盲文是通过金属板冲压的方式印制出来,印刷过程繁琐、盲文容易磨平不说,盲文图书的价格也相当昂贵,可达正常图书的15-20倍之多,这极大限制了盲童获取知识的机会。

“在精确控制墨滴成型的基础上,只要控制每一个墨滴,形成一个微凸起的结构,就能代表一个盲文的基本字符。”在此前研究成果的基础上,宋延林团队用打印的方法,把原本特殊印制的盲文变成了普通打印的盲文,大大减少了印刷的成本。

“我们打印的第一本书是《没头脑和不高兴》,希望孩子们读了以后,能够高兴起来。”宋延林说。

除了打印文字、图书,新的打印方法还能打印图形——团队在魔方各面上打印了不同的图案,让盲童可以通过玩魔方开发智力和想象力。

2018年,宋延林和同事给北京盲校的孩子捐赠了一批图书和教具。合影时,有位盲童手里拿着魔方,喜欢得不肯撒手,这个画面一直印在宋延林的心里。如今,盲文印刷技术不仅在国内推广,还受到国际上盲文出版机构的关注。2022年北京冬残奥会上,残疾人运动员第一次触摸到了明盲对照的印刷品。

“科学家不是一个冷冰冰的群体,要做有温度的科研。”宋延林说,“科学家要有人文导向,通过科研,让这个世界更加美好。”

探寻印刷精度极限

做惯了印刷技术的研发,宋延林时常天马行空地想——这个东西能不能变成墨水?那个图案能不能印出来?为此,他给团队提了一个口号:万物可为墨、世界皆可印。

宋延林说,从电子电路及器件、光子器件到生物芯片,“纸张”和“墨”的概念可以拓展到很多领域。“印刷术的应用领域非常广泛,比如太阳能电池的栅极、各种各样的柔性电路、可穿戴的器件等。我们几乎可以把不同的材料都做成墨水,让它们变成我们想要的各种形状,同时具有特定的功能。”

近年来,宋延林团队用透明墨水打印出了全彩色图案,用一滴墨打印出一片隐形眼镜,用印刷芯片检测新冠病毒……这些成果都颠覆了人们对“印刷”的认知。

在纳米印刷之后,印刷术的精度有没有新的极限?宋延林认为,肥皂泡的壁就是极限。

“肥皂泡破裂以后,留下的痕迹能达到分子尺度,这是人类能够想象到的最细的线条。”宋延林说,泡沫物理学已经开创了200多年,但还没有人能把肥皂泡做成图案。这其中有更多的基础问题需要破解。

“目前我们正在做分子印刷的研究。通过设计好的模板,就可以把气泡演化成各种各样的图案,气泡破裂以后,我们就实现了纳米、亚纳米,甚至分子尺度的印刷术。”宋延林说。

从“不可能”(impossible)到“我能够”(I"m possible),这是宋延林对团队年轻人的期望。“很多重要的课题,全世界很多人都想做、在做,我们有没有独特的方法和思路?想清楚这些问题,科研工作就会少走很多的弯路。”

“希望将来中国的印刷术,会再一次成为我们的骄傲。”宋延林说。

(中国科协科学技术传播中心与人民日报合作推出)

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