噴墨打印技術(shù)不只是可以用來(lái)打印紙張

　　噴墨打印技術(shù)不僅僅用于打印紙張，它還能構(gòu)建 DNA 陣列、3D 結(jié)構(gòu)等等，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 的發(fā)展使得噴墨打印技術(shù)更加精細(xì)高效。

　　在上世紀(jì)八十年代初期，辦公室里充斥著金屬敲擊墨帶、在紙上留下字符的噪音。IBM 選擇性打字機(jī)咔嗒作響，菊花輪打印機(jī)哐當(dāng)作響，點(diǎn)陣打印機(jī)發(fā)出刺耳的撕裂聲。

　　如今，這些噪音都消失了。盡管我們現(xiàn)在花更多時(shí)間在屏幕上閱讀，但打印紙張并沒(méi)有退出歷史舞臺(tái)。

　　造成這種安靜的主要原因是什么?噴墨打印機(jī)。雖然激光打印機(jī)在商業(yè)環(huán)境中承擔(dān)著大型打印任務(wù)，但噴墨打印機(jī)已經(jīng)成為我們大多數(shù)人在家和辦公室使用的打印機(jī)。

　　噴墨打印機(jī)的打印頭執(zhí)行著非凡的任務(wù)。即使在分辨率只有 96 dpi(每英寸點(diǎn)數(shù))的情況下，這在上世紀(jì)八十年代的早期型號(hào)中很常見(jiàn)，點(diǎn)中心到點(diǎn)中心的距離也只有 260 微米。要填滿一張標(biāo)準(zhǔn)的帶有 2.5 厘米邊距的信紙，需要噴射超過(guò) 50 萬(wàn)個(gè)單獨(dú)的墨滴。輸送這些微小的墨滴需要非常精確的控制，并且在盡可能快的速度下重復(fù)大量次。微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 非常適合這項(xiàng)工藝，微機(jī)電系統(tǒng)是一種利用微觀組件的電子器件。

　　只要能夠?qū)⒛撤N物質(zhì)以合適的流體特性封裝成微小的墨滴，那么就有人會(huì)想辦法讓噴墨技術(shù)適應(yīng)這種物質(zhì)。

　　和所有微技術(shù)一樣，噴墨系統(tǒng)的規(guī)格隨著時(shí)間的推移也發(fā)生了巨大變化。上世紀(jì)八十年代中期，一臺(tái)典型的噴墨打印頭有 12 個(gè)并行工作的噴嘴，每個(gè)噴嘴每秒可以噴射多達(dá) 1350 個(gè)墨滴，從而每秒打印 150 個(gè)字母數(shù)字字符。如今，商用印刷機(jī)中使用的高端噴墨打印頭可能包含 21,000 個(gè)噴嘴，每個(gè)噴嘴每秒可以噴射 20,000 到 150,000 個(gè)墨滴。每個(gè)墨滴可能只有 1.5 皮升——皮升是升的一兆分之一——直徑大約 14 微米。

　　噴墨打印機(jī)使用的噴墨技術(shù)超越了發(fā)明者的想象，除了在紙張上噴墨點(diǎn)之外，還發(fā)現(xiàn)了許多其他應(yīng)用。這些應(yīng)用包括用于基因組學(xué)的 DNA 微陣列、用于印刷電路板的電路走線以及構(gòu)建 3D 打印結(jié)構(gòu)。未來(lái)的應(yīng)用可能包括個(gè)性化醫(yī)療和開(kāi)發(fā)先進(jìn)電池。

　　事實(shí)上，如今搜索包含“噴墨”一詞的專(zhuān)利會(huì)返回超過(guò) 92,000 條結(jié)果。只要能夠?qū)⒛撤N物質(zhì)以合適的流體特性封裝成微小的墨滴，那么就有人會(huì)想辦法讓噴墨技術(shù)適應(yīng)這種物質(zhì)。

　　MEMS 如何改變噴墨打印技術(shù)

　　噴墨技術(shù)的歷史可以追溯到 1948 年，當(dāng)時(shí)瑞典發(fā)明家 Rune Elmqvist 申請(qǐng)了一項(xiàng)圖表記錄儀的專(zhuān)利，該記錄儀使用一個(gè)非常細(xì)的玻璃管，通過(guò)控制墨流在移動(dòng)的紙帶上留下痕跡。幾年后，他用這種裝置展示了一臺(tái)記錄心電圖的儀器。

　　1965 年，斯坦福大學(xué)的 Richard G. Sweet 開(kāi)發(fā)了一款圖表記錄儀，該記錄儀將墨流分解成均勻帶電的墨滴流。流兩側(cè)的導(dǎo)流電極可以使墨滴直接落在紙上，也可以將它們偏轉(zhuǎn)到吸收墊上或引流槽中收集再利用。

　　這種技術(shù)稱(chēng)為連續(xù)噴墨打印，到 1976 年，IBM 將其應(yīng)用于商用打印機(jī) IBM 6640 中。但是連續(xù)噴墨即使在使用循環(huán)利用的情況下也會(huì)因墨水蒸發(fā)而浪費(fèi)墨水，限制了它們的吸引力。

　　為了解決連續(xù)噴墨的浪費(fèi)問(wèn)題，其他人致力于開(kāi)發(fā)按需噴墨打印機(jī)，打印頭上的每個(gè)噴孔每次噴出一個(gè)墨滴，避免了連續(xù)墨滴流的浪費(fèi)。表面張力將墨水固定在一個(gè)微小的開(kāi)放噴嘴中，直到一個(gè)機(jī)構(gòu)推動(dòng)墨水噴出一個(gè)墨滴。每個(gè)撞擊紙張的墨滴都會(huì)形成一個(gè)點(diǎn)，打印頭來(lái)回移動(dòng)會(huì)生成圖像。具有多個(gè)噴孔的打印頭可以同時(shí)噴射許多墨滴，因此打印頭每次經(jīng)過(guò)頁(yè)面都會(huì)添加圖像的一部分，而不僅僅是一條細(xì)線。

　　上世紀(jì)七十年代末，西門(mén)子公司率先銷(xiāo)售了按需噴墨打印機(jī)。它不是像現(xiàn)代桌面打印機(jī)那樣獨(dú)立的設(shè)備，而是作為西門(mén)子 PT80i(打印終端 80 噴墨)計(jì)算機(jī)終端的組成部分。該打印機(jī)使用壓電致動(dòng)器圍繞 12 根墨水管，為 12 個(gè)噴嘴提供墨水，以噴射墨滴，每秒打印 270 個(gè)字符。

　　壓電器件依賴(lài)于某些材料在施加電壓時(shí)會(huì)改變形狀，例如陶瓷鋯鈦酸鉛 (PZT)。這種效應(yīng)在 MEMS 中已被證明非常有用，用于根據(jù)指令生成精確的力和運(yùn)動(dòng)。如果將 PZT 層粘合到非壓電材料上，形成所謂的雙壓電器件，則在施加電壓時(shí)會(huì)彎曲。在壓電噴墨噴嘴中，雙壓電器件的彎曲會(huì)將墨水從噴孔中推出。

　　然而，這種新穎的打印技術(shù)在 1970 年代還不像成熟的擊打打印機(jī)那樣可靠，而且如果打印機(jī)出現(xiàn)故障，整個(gè)西門(mén)子終端都將無(wú)法使用，因此沒(méi)有流行起來(lái)。

　　與此同時(shí)，惠普和佳能的研究人員注意到，墨水在接觸到烙鐵等熱元件時(shí)會(huì)沸騰并濺射，他們決定將這種濺射轉(zhuǎn)化為一種有用的噴墨打印機(jī)制。他們知道電阻器可以用作加熱元件，并且可以采用與集成電路相同的技術(shù)進(jìn)行微型化。在他們構(gòu)建的打印機(jī)中，每個(gè)墨水噴嘴都包含一個(gè)電阻器而不是壓電致動(dòng)器。電脈沖加熱電阻器，快速沸騰墨水的一薄層，形成一個(gè)快速膨脹的氣泡，將墨水滴推射出噴孔。

　　這項(xiàng)工作導(dǎo)致兩種相互競(jìng)爭(zhēng)的熱噴墨技術(shù)在 40 年前幾乎同時(shí)上市。(同年，1984 年，愛(ài)普生推出了獨(dú)立的壓電噴墨打印機(jī)。)

　　惠普的 HP ThinkJet 是其基于熱技術(shù)的首款桌面噴墨打印機(jī)，旨在連接到個(gè)人電腦進(jìn)行日常打印。它與最近開(kāi)發(fā)的激光打印機(jī)相比具有直接的優(yōu)勢(shì)：它便宜得多。惠普的一臺(tái)桌面激光打印機(jī)售價(jià) 3500 美元(相當(dāng)于今天的 10,500 美元);惠普的 2225A ThinkJet 只需 495 美元(相當(dāng)于今天的 1,500 美元)。噴墨打印機(jī)的功耗也遠(yuǎn)低于激光打印機(jī)，而且噪音更小。不可否認(rèn)，噴墨打印機(jī)的分辨率不高——在早期，噴墨打印機(jī)的分辨率為 96 dpi，而激光打印機(jī)的分辨率為 300 dpi——而且速度較慢。

　　但噴墨打印機(jī)的優(yōu)勢(shì)超過(guò)了劣勢(shì)(隨著技術(shù)的改進(jìn)，優(yōu)勢(shì)更加明顯)，噴墨打印機(jī)開(kāi)始主導(dǎo)桌面和家用打印機(jī)市場(chǎng)。如今，超過(guò) 20 家公司生產(chǎn)噴墨打印機(jī)，年市場(chǎng)規(guī)模超過(guò) 1000 億美元，并繼續(xù)以每年超過(guò) 8% 的速度增長(zhǎng)。

　　使用噴墨打印 DNA 微陣列

　　隨著噴墨打印機(jī)制造業(yè)務(wù)的成熟和增長(zhǎng)，一些公司開(kāi)始探索可以用噴墨打印機(jī)輸送哪些其他類(lèi)型的“墨水”。其中一家是 Agilent Technologies，它是惠普公司的一家分拆公司，專(zhuān)注于生命科學(xué)和化學(xué)分析技術(shù)。Agilent 開(kāi)發(fā)了一種方法，可以從四種核酸堿基——胞嘧啶 (C)、鳥(niǎo)嘌呤 (G)、腺嘌呤 (A) 和胸腺嘧啶 (T) 中打印 DNA 鏈。具體來(lái)說(shuō)，該公司將現(xiàn)有的 DNA 化學(xué)方法和噴墨打印技術(shù)相結(jié)合，在玻璃載玻片上構(gòu)建 DNA 微陣列，用于基因組學(xué)工作，例如測(cè)量生物體在不同條件下表達(dá)哪些基因。學(xué)術(shù)研究人員已經(jīng)分享了開(kāi)源方法，將現(xiàn)有的噴墨打印機(jī)改造為構(gòu)建他們自己的微陣列，盡管它們的規(guī)格比商業(yè)系統(tǒng)貴很多。

　　噴墨打印技術(shù)不只是可以用來(lái)打印紙張

　　在噴墨噴嘴的靜止?fàn)顟B(tài)[頂部]下，油墨通過(guò)表面張力保持在適當(dāng)位置。在熱噴墨噴嘴[左]中，施加到加熱電阻器的電壓脈沖使一薄層油墨快速蒸發(fā)，產(chǎn)生膨脹的蒸汽泡[左，中]，將油墨液滴從孔[左，下]推出。在不到一毫秒的時(shí)間內(nèi)，蒸汽重新冷凝，腔室冷卻并重新充滿墨水，使噴嘴返回到靜止?fàn)顟B(tài)。壓電噴墨噴嘴[右]由壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)，當(dāng)施加電壓[右，中]時(shí)，壓電雙晶片彎曲以推出墨滴[右，下]。

　　DNA 微陣列由底物(通常是玻璃)組成，上面排列著稱(chēng)為斑點(diǎn)的微小區(qū)域，DNA 鏈附著在這些區(qū)域上。Agilent 在單個(gè) 2.5 厘米 x 7.6 厘米的載玻片上最多可生產(chǎn) 100 萬(wàn)個(gè)斑點(diǎn)。開(kāi)源系統(tǒng)在一個(gè)稍小的區(qū)域內(nèi)放置多達(dá) 10,000 個(gè)。每個(gè) DNA 鏈由堿基 C、G、A 和 T 的序列組成。在雙鏈 DNA 中，鏈具有互補(bǔ)序列，它們像梯子的橫檔一樣連接起來(lái)，C 與 G 連接，A 與 T 連接。

　　DNA 微陣列使用單鏈 DNA，每個(gè)斑點(diǎn)有數(shù)百萬(wàn)個(gè)具有共同序列的鏈。當(dāng)含有互補(bǔ)鏈的樣品沖洗斑點(diǎn)時(shí)，這些鏈與錨定在斑點(diǎn)上的鏈結(jié)合。樣品鏈標(biāo)記有熒光分子，用戶通過(guò)檢查哪些斑點(diǎn)亮起即可了解樣品中存在哪些 DNA 序列。

　　在 Agilent 制造微陣列的方法中，打印機(jī)多次掃描底物，每次掃描向斑點(diǎn)中的每個(gè)鏈添加一個(gè)堿基，并進(jìn)行中間步驟以準(zhǔn)備下一次掃描。

　　噴墨打印技術(shù)不只是可以用來(lái)打印紙張

　　可以使用噴墨系統(tǒng)在陣列的每個(gè)點(diǎn)處構(gòu)建定制設(shè)計(jì)的DNA鏈來(lái)制造DNA微陣列。打印頭將含有一種核苷酸[G、C、A或T]的修飾單體的“墨水”[左]液滴輸送到每個(gè)點(diǎn)。在第一個(gè)印刷周期，這些單體附著在化學(xué)處理的玻璃表面。在隨后的打印過(guò)程中，一個(gè)單體連接在每一條不斷生長(zhǎng)的DNA鏈的末端。每個(gè)單體包括一個(gè)保護(hù)帽，以防止其他單體加入。額外的過(guò)程[此處未描述]洗掉核苷酸油墨，施加催化劑以完成單體結(jié)合，并剝離保護(hù)帽以準(zhǔn)備下一個(gè)印刷步驟。

　　添加堿基實(shí)際上是一個(gè)三步過(guò)程。微陣列斑點(diǎn)中每個(gè)生長(zhǎng)的鏈末端都有一個(gè)分子“帽”，可以防止更多堿基的無(wú)序添加。因此，第一步是通過(guò)洗滌溶液去除或鈍化那些帽。第二步類(lèi)似于打印頁(yè)面：在微陣列上的每個(gè)斑點(diǎn)，噴墨打印機(jī)添加一滴含有下一個(gè)要添加到鏈末端的單體分子(C、G、A 或 T 的修飾版本)的液體。這些單體每個(gè)都包含一個(gè)新的帽，這樣每個(gè)鏈只能添加一個(gè)分子。雖然新添加的單體現(xiàn)在已經(jīng)附著在鏈上，但連接還不完全穩(wěn)定，因此第三步應(yīng)用氧化劑溶液來(lái)修飾鍵，將新單體完全整合到 DNA 結(jié)構(gòu)中。沖洗并重復(fù)。

　　開(kāi)源噴墨構(gòu)建的通用性允許研究人員快速構(gòu)建帶有他們想要嘗試的任何序列的原型陣列。新的陣列可以在一天內(nèi)設(shè)計(jì)、合成和用于分析 DNA。一組研究人員報(bào)告說(shuō)，使用他們的系統(tǒng)，每個(gè)堿基的附加循環(huán)時(shí)間為 10 到 20 分鐘，或者大約 13 小時(shí)可以生產(chǎn)一批陣列，每個(gè)陣列包含約 10,000 個(gè)包含 40 個(gè)堿基鏈的斑點(diǎn)。相比之下，Agilent 的商業(yè)微陣列通常具有長(zhǎng)達(dá) 60 個(gè)堿基的鏈。

　　Agilent 還使用其噴墨系統(tǒng)合成另一種基因組學(xué)工具，稱(chēng)為寡核苷酸文庫(kù)。該過(guò)程與制造微陣列相同，但最后所有鏈從底物上切割下來(lái)，干燥并包裝在一起，供客戶使用。Agilent 的噴墨打印文庫(kù)的鏈長(zhǎng)可達(dá) 230 個(gè)堿基。

　　使用兩種噴墨墨水進(jìn)行 3D 打印

　　除了打印二維頁(yè)面和構(gòu)建一維分子鏈之外，噴墨技術(shù)多年來(lái)一直用于生產(chǎn)三維物體。一種方法是粉末床 3D 打印的變體，其中通過(guò)在所需圖案中熔合或粘合粉末層來(lái)構(gòu)建物體。噴墨打印頭將液體粘合劑滴加到粉末的每一層，在將形成成品 3D 物品的區(qū)域。

　　HP Multi Jet Fusion (MJF) 系列 3D 打印機(jī)通過(guò)沉積兩種類(lèi)型的墨水來(lái)擴(kuò)展這種方法：一種是粘合劑促進(jìn)劑，另一種是細(xì)化劑，應(yīng)用于圖案的邊緣以防止促進(jìn)劑滲入周?chē)姆勰y帶大量噴墨噴嘴的打印頭分配這些墨水，隨后是照明條快速加熱粉末，在存在粘合劑促進(jìn)劑的區(qū)域?qū)⑵淙酆稀Ｈ缓髮⑿迈r的粉末層鋪設(shè)在頂部，并重復(fù)該過(guò)程，直到構(gòu)建完成。MJF 打印機(jī)可以快速創(chuàng)建復(fù)雜的 3D 對(duì)象，包括具有細(xì)微特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的對(duì)象。

　　噴墨打印技術(shù)的未來(lái)充滿希望。研究人員正在探索使用噴墨打印機(jī)制造各種新材料和產(chǎn)品的可能性，包括用于組織工程的生物材料、用于電子設(shè)備的導(dǎo)電材料以及用于電池的新型電極。

　　噴墨打印的未來(lái)不僅僅是紙張。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)徹底改變了打印方式，并且它還有可能改變我們制造各種物品的方式。