“静电力粘连”印章打印微观结构

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自动排列和安装微观部件对制造新一代电子系统有至关重要的应用。然而，传统力学抓取和放置技术无法在微观尺度下进行操作，新兴的转移打印技术则要求较为复杂的多方向移动、温度控制或者改变化学键合，从而改变印章和微小部件之间的粘连力。来自麻省理工（MIT）和宾夕法尼亚大学（UPenn）的研究团队，利用柔性碳纳米管（CNTs）纳米复合材料制造“静电力粘连”印章（SNEs）。这些印章可以在仅30V电压控制下达到超过100倍的粘连力变化，从而抓取、转移、打印一系列微米和纳米材料及结构。

如果你拆开手机，你会发现电子板上的一座由整齐排列的电子芯片和元件的微型城市。每一个元件都可能由比头发丝还细的更小单元组成。这些元件一般通过精确设计的机械装置来抓取、放置和安装。然而，当你需要更小部件来进行组装电路时，这些机械抓取装置已经接近它们的极限，无法准确操纵这些微小的部件和结构。

电子设备制造需要控制和组装甚至比面粉颗粒还要微小的元件。与其微缩化现有的复杂机械组装装置或者依赖气控系统，更需要一种新颖的、在微米甚至纳米尺度下可操作的拾取-放置手段。

近期，来自麻省理工（MIT）的A.J. Hart团队和宾夕法尼亚大学（UPenn）的K.T. Turner团队研发的微型“静电力粘连”印章（SNEs），可以用于拾取、移动、放置小至20纳米（约为人类头发粗细的1000分之一）到约200微米的各类物体。该过程通过改变外部电压来调控印章与抓取物体的表面粘连力，电压调控仅需30V，可以快速、准确的对微纳米物体进行操作。

图1.通过静电力粘连印章打印的二氧化硅颗粒图样。每个颗粒直径约5微米，并可单独被静电力粘连印章抓取和放置。

静电力粘连印章抓取和放置LED元件。元件大小约170微米，该过程仅需改变外部电压30V。

这些印章通过在稀疏的碳纳米管（CNTs）阵列上覆盖陶瓷纳米涂层制造而成。仅需施加少量电压，碳纳米管临时带电荷并通过静电力吸引，从而吸附所要抓取的物体。当移动到指定位置，关闭电压，该印章的粘性消失，从而释放物体。通过仅仅30V的电压变化，印章的表面粘连力可以从几乎为零的水平，达到超过100倍的变化，有效、快速的完成拾取和放置。

该技术有望成为一种可打印微米和纳米结构的大规模制造手段，在更小的芯片中封装更多的元件，或是在人造组织中转移细胞。同时，该合作团队也着眼于宏观尺度的潜在应用，例如电压可控的日常拾取物品、类似壁虎的攀爬机器人等。该团队的文章Soft nanocomposite electroadhesives for digital micro- and nanotransfer printing近期见刊于Science Advances。

图2.（A）静电力粘连印章（SNEs）原理示意图，（B）碳纳米管方阵及其表面陶瓷纳米涂层，以及（C）扫描电镜特写。

图3.文献摘要截图。

在小尺度下，表面力效应远大于体积力。这导致传统的机械装置无法拾取小于50到100微米的物体，更加难以准确的放置这些物体。然而这一拾取、放置过程，是组装电子系统的基本过程。虽然在大尺度下，已经存在利用静电力进行大物体的编织、制造图样或是硅片处理，但是同样的原理尚未在微观尺度得以应用。其中重要的原因之一就是需要一种新的小尺度下可控的静电力粘连材料设计。

碳纳米管以其卓越的力学、电学和化学性质被人们所熟知。它们也被广泛应用于在干燥环境下粘合剂的研究中。以往的研究着眼于利用碳纳米管的结构，最大化它们与其他物体的接触面积，从而提高它们的粘合效果。本报道中的研究反其道而行之，采用了一种在碳纳米管外镀上纳米陶瓷涂层的设计，最小化该纳米复合物与其他表面的接触面积，使其在不施加电压时，表面粘连力小于普通接触的40分之一，在施加电压后，碳纳米管充电，陶瓷涂层被极化，产生静电力，大幅提高粘连力。通过电压的开关，这类纳米复合物印章快速的改变表面粘连力，做到拾取和放置功能的有效切换，从而实现印章打印所需的调控手段。

图4.（A）静电力粘连印章图样及其对多种材料打印结果的展示，（B）该图样打印的高分子纳米颗粒，以及（C）打印金属纳米纤维结果。

研究团队探索了各种印章设计，改变碳纳米管密度、陶瓷涂层厚度等设计参数，并采用一系列微纳米表征测量手段（例如原子力显微镜、纳米压痕仪、转移打印等），发现使用稀疏的碳纳米管阵列和减小涂层厚度可以最大化粘连力的调控范围。在实验中，该团队展示了印章打印多种材料的能力，包括金属纳米纤维（仅约头发粗细的1000分之一）、高分子和金属微颗粒、微型LED设备等。

在新一代电子系统中，诸如微型处理器、感应器、光学设备等一系列微小元件协同工作。如何对更小的元件进行操作和组装成为一个重要的课题。这项静电力粘连印章打印技术有望成为一种可规模化和高效的制造方式。

该项研究获得了Toyota Research Institute, 美国国家自然基金（NSF）, 以及MIT-Skoltech Next Generation 项目的支持。

主要作者简介

Sanha Kim，现韩国先进科技研究所（KAIST）机械工程系助理教授，原麻省理工博士、博士后；YijieJiang（蒋轶杰），现北德州大学（UNT）机械及能源工程系助理教授，原宾夕法尼亚大学博士、博士后；KevinT. Turner，宾夕法尼亚大学机械工程及应用力学系主任、教授；A. John Hart，论文通讯作者，麻省理工机械工程系副教授。

点击“阅读原文”查看论文原文。

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