高分辨率图案化：利用电液动力喷射的两种模式——按需喷滴与近场静电纺丝

电液动力喷墨打印是一种非接触式直接图案化方法，可广泛应用于印刷电子、先进材料、生物技术等多个领域。该方法利用强电场将带电油墨牵引至基底。为此，需采用流体系统将油墨推送至喷嘴，并通过高压电源产生电场。

该技术的主要优势在于，与传统的喷墨打印方法相比，可用于打印非常微小的点或图案。根据电学和流体构型的不同，可实现三种不同的按需喷墨打印模式：电纺丝和电喷雾。对于精细图案化，我们将重点关注按需喷墨（DOD）和近场电纺丝。

DOD 采用直流电压和脉冲电压进行喷射，而近场静电纺丝仅使用直流电压进行喷射。人们知道，由于该方法对特定条件和不同的打印笔参数（如电压、喷嘴、打印速度和工作距离）有较高要求，因此较难实现理想的喷射效果。勇敢的学生 Mr.Oh 将使用银纳米粒子墨水演示按需喷滴和近场静电纺丝两种技术，以帮助人们理解这两种打印工艺。

对于按需喷墨打印，首先将过滤后的银纳米粒子墨水注入电液动力喷墨打印机的墨水储液池中。然后，按照随附文本方案中的描述，用玻璃移液管制备喷嘴。通过聚四氟乙烯管将喷嘴与墨水储液池连接，组装喷嘴支架。

接下来，打开气压控制器，并向墨水储液罐施加 15 至 20 千帕的气压。通过观察玻璃喷嘴和管路中的墨水流动，确保供墨过程中无气泡滞留。持续向储液罐施加气压，直至墨水出现在喷嘴尖端。

在喷嘴尖端出现墨水之前，切勿降低压力，否则可能导致尖端处截留气泡。一旦喷嘴尖端出现墨水，立即将压力降至约 12 千帕。这将维持挤出的弯月面，同时确保墨水不会从喷嘴尖端滴落。

然后，将组装好的喷嘴头固定在打印系统中。使用侧视摄像头观察喷嘴尖端与基底之间的间隙，调节载物台的Z轴，使间隙调整至约100微米。较小的间隙会产生更高的电场，有助于在较低的脉冲电压下实现喷射打印。

然而，如果电压未适当调整，较小的间隙也可能导致液滴变大。此时，在开始施加直流电压和脉冲电压的同时，需观察喷嘴处的墨水情况。逐步增加直流电压，每次增幅应小于100伏。

一旦墨水开始从喷嘴滴落，略微降低直流电压，直至墨水停止从喷嘴滴出。接着，设置一个上升时间等于0至100微秒、持续时间等于300微秒、下降时间为0微秒的负脉冲电压。然后，将该负脉冲电压施加到样品台。

现在，调节脉冲电压的幅值，使每个单次脉冲产生一个液滴。然后，在侧视相机图像中观察基底上的喷射点，同时调节直流偏置电压和脉冲电压，以在基底上获得目标液滴尺寸。首先，在打印软件的打印选项卡中加载位图图像，并将其转换为二值图像。

然后，设置二值图像打印的参数。例如，将液滴间距（即液滴间隔）设为10 µm。参数设置完成后，开始在基底的指定位置使用选定的位图进行打印。

为进行矢量打印，需先将图案的 CAD 信息载入打印软件中。随后，设置打印参数，例如打印速度和点间距。参数设置完成后，即可开始打印。

为了进行近场静电纺丝，首先制备特殊配制的银纳米膏体油墨。为此，将三份乙醇与一份去离子水混合，制成12毫升溶剂。然后，将0.3克聚环氧乙烷与9.7克已制备的溶剂混合，制成质量分数为3%的聚合物溶液。

使用磁力搅拌器，在室温下搅拌超过六小时，充分混合溶液。溶剂制备完成后，将五份银纳米浆料墨水与一份制备好的聚合物溶液混合。使用涡旋混合器将两者混合，搅拌十分钟，以使墨水充分悬浮。

接下来，将制备好的墨水填充到注射器中，并通过聚四氟乙烯连接管将注射器与喷嘴相连。手动推动注射器，将墨水输送至喷嘴。当墨水到达喷嘴后，将注射器安装到连接于打印系统的注射泵上。

启动注射泵，以初始流速50微升/分钟产生墨水流。当墨水从喷嘴尖端流出时，将流速降低至1微升/分钟。随后，在将接地电压连接至基底支架的同时，向喷嘴连接器施加直流电压源。

逐渐将直流电压升高至1.5千伏。直流电压最高可升至两千伏。然而，应避免使用超过两千伏的直流电压，因为它可能会损坏墨水。

设置完成后，以300毫米/秒的打印速度进行至少10分钟的空闲打印，以达到稳态流动。由于黏性油墨可能在较长的管路中被压缩，因此需要此步骤。在空闲打印过程中，调整打印参数（如直流电压和流速），以获得理想的打印效果。

最后，使用已确定的打印参数在基底上打印所选图案。基于点阵的按需喷墨打印和光栅打印采用单一轴向，在主方向上打印点阵，然后在次方向上移动到下一幅面。该光栅图像的液滴尺寸约为四微米。

相比之下，基于点的按需喷墨矢量打印在 X 和 Y 方向上同时移动，用于打印线条。所得图像的线宽为 4 µm。近场静电纺丝则使用高黏度油墨连续打印图案。

因此，该方法适用于以高打印速度打印直线，并且对打印速度的变化较为敏感。设计时应包含可舍弃的慢速区域，以确保目标区域内的线条尺寸一致。在某些情况下，可通过使用低于每秒100毫米的低打印速度，结合低喷射速度，生成波浪图案。

图案可能会变成如图所示的波浪形。这种波浪形图案可能在可拉伸电子器件应用中具有实用价值。该技术发展之后，为研究人员制备满足其特定应用的精细图案开辟了道路。

请注意，这种打印方法不仅限于银纳米粒子墨水，还可应用于其他类型的墨水。在进行此操作时，重要的是要记住使用适合打印的墨水。请参考本文正文中提供的墨水选择的一般指南。

请务必根据所选油墨和应用情况调整打印参数。请注意，操作化学品、高电压和高压环境可能存在危险，进行本实验时应始终采取适当的预防措施。