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出个铁蓝世界,本事创制今后

2019-09-27 00:29

宋延林:“绿色印刷”技术创造未来

纳米材料绿色印刷:“打”出个绿色世界

导读:作为中国科学院化学研究所研究员,宋延林将如何“改变世界”?——“采用纳米技术,我们将可能改变已有80年历史的基于感光成像的近代印刷制版技术。”

宋延林研究团队的主页上有一个座右铭:From “Impossible”to“I’m possible”。他的团队有三句鼓舞士气的话:要解决问题,不要解释问题;要创造机会,不要等待机会;要压倒一切困难,不被任何困难压倒。

■本报记者 彭科峰

美国《时代周刊》以“中国制造”为题的某期封面上,巨大的手机张开外壳,里面是浓烟滚滚的工厂和蚂蚁一样的工人。这张图片经常出现在中国科学院化学研究所研究员宋延林的讲演报告中:“这暗示中国以前的经济发展一是牺牲环境,严重污染;二是靠廉价劳动力。这就是中国给世界的印象,是作出改变的时候了!事实证明,我们可以通过技术创新拿出领先的绿色解决方案”。

■本报记者 韩天琪

不用感光冲洗,也不产生废水,报纸、书籍的版样就可以打印出来;电脑、手机的线路板,不用刻蚀,同样可以轻松打印出来……

宋延林将如何“改变世界”?——“采用纳米技术,我们将可能改变已有80年历史的基于感光成像的近代印刷制版技术。”这就是他的回答。

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这些看似神奇的技术,在中科院化学所科研人员的努力下已经变成现实。以宋延林研究员为代表的“纳米材料绿色印刷”技术团队,目前正在“印刷制造”的道路上高歌猛进。日前,《中国科学报》记者来到中科院化学所位于北京怀柔的产业化基地,现场感受了纳米印刷技术的神奇魅力。

从“胶片相机”走向“数码相机”

▲▲宋延林,1989年毕业于郑州大学;1996年获北京大学理学博士学位;1996-1998年于清华大学化学系进行博士后研究。1998年至今,历任中国科学院化学研究所有机固体重点实验室副研究员、研究员、博士生导师,新材料实验室主任。现任中国科学院化学研究所中国科学院绿色印刷重点实验室主任,研究员、博士生导师。他从纳米材料的创新研究成果出发,主持开发了一条非感光、无污染、低成本的绿色印刷制版技术路线,进而形成包括绿色制版、绿色版基和绿色油墨在内的系统的绿色印刷产业链技术,并推动绿色印刷技术在印刷电子等领域的应用;获授权中国发明专利70余项,美、日、韩和欧盟等发明专利14项,形成了较为系统的自主知识产权,并与企业合作,推动绿色印刷产业链的形成和发展。

“目前印刷业的发展仍然呈现增长势头。2013年,中国的印刷行业总产值达10398.5亿元,预计‘十二五’末期达到1.1万亿元。”宋延林介绍,但印刷行业同样也是一个高污染行业,每年产生的感光冲洗废液达百万吨,有机溶剂排放达数十万吨,电解氧化废液、废水和废渣等达千万吨。同样,传统的印刷电路板行业也对环境产生巨大污染,生产废液中含大量重金属离子,严重污染环境。

日前,记者跟随中科院A类战略性先导科技专项采访组,来到位于北京怀柔科教园区的中科纳新印刷技术有限公司,看到纳米材料绿色印刷技术印制的许多精美印刷品,几乎和传统印刷品效果难分伯仲。不过,宋延林告诉我们,如果在几年前,印刷效果还达不到如此精美的程度。

宋延林给人的印象是典型的学者模样,中等个儿,戴着眼镜,显得文质彬彬,十分儒雅,然而他却是一位产、学、研相结合的成功者。就在不久前,他获得了中国科学院2015年先进工作者称号。

宋延林说:“纳米绿色印刷制造技术是对传统印刷产业和印刷电路板行业的革命性变革,可以从源头防止这些污染的产生。”

的确,新技术从理念到付诸实践有无数的波折。刚开始,很多人就问:为什么没听说国外有类似技术呢?宋延林不是一个喜欢“随大流”的人,他选择了“一意孤行”。他分析道:“就像柯达选择将自己发明的数码照相技术封存起来一样,印刷行业的柯达、富士、爱克发等国际巨头都是靠感光材料起家,自然不愿意砸掉自己利润丰厚的‘金饭碗’,这正是我们的机会。”

从基础研究到产业应用

纳米绿色印刷制造的核心理念是将纳米材料和印刷技术相结合,实现印刷产业的绿色化、功能化、立体化和器件化。传统印刷制版的原理是感光成像、化学显影,而绿色印刷制版技术是利用纳米材料制作出特殊的板材和墨水,直接打印使印版表面呈现出亲水的空白区和亲墨的图文区,就可以直接印刷了。这种技术,完全不需要暗室和曝光过程,也不产生废水和废液,“成本还比传统激光照排制版便宜三分之一以上,以后还可以继续降低”。

按照宋延林的设想,是用纳米材料的创新产生“变革性”技术,即将印刷表面进行纳米结构处理,使其形成图文区与非图文区清晰的界面,即图文区超亲油。通俗地讲,传统的激光照排相当于“胶片照相机”,较先进的计算机直接制版技术相当于“拍立得”,而绿色制版技术就像是“数码相机”。

宋延林所在的中国科学院化学研究所是以基础研究为主,有重点地开展国家急需的、有重大战略目标的高新技术创新研究,并与高新技术应用和转化工作相协调发展的多学科、综合性研究所。在这样一个基础研究所中,宋延林却以“绿色印刷”的实用技术为人所熟悉和称道。

在中科纳新的生产车间内,记者刚好遇到一批来印刷教材的客户。他们将电子版传到车间的电脑上后,工作人员操作一台约1米高的制版设备,熟练地将一张版材放入,不到3分钟,一张印版就完成了。经过固化后上机印刷,这本教材的第一页就印了出来。整个制版过程在不到10平方米的空间内完成,没有噪音,也没有任何其他污染物产生,真正实现了全程绿色。看着清晰的版样,前来印刷教材的客户连连叫好。

不过,问题绝非想象的那么简单。刚开始时印刷质量并不理想,这是因为液滴在固体表面干燥的过程容易形成“咖啡环”,导致印刷物边缘模糊不清。因此,不少专家肯定了这个方向的环保优势,但认为要实现图文区和空白区的巨大反差非常困难,只能印刷低端产品。

“我和我的团队的工作也是从基础研究出发的。与其他基础学科科研人员不一样的是,我们结合基础研究方面的工作,从事了印刷技术的研究和产业化,而且在后两个阶段下了一些功夫。”宋延林在接受《中国科学报》记者采访时表示,他和他的团队之所以引起了中科院、社会公众甚至国家的关注,源于他们建立了一个不同于主流印刷的新技术体系。“在世界近代科技史上,由中国人主导的技术体系太少了。”宋延林感慨。

“这项技术是中科院的A类先导专项‘变革性纳米产业制造技术聚焦’的核心任务之一。2009年,我们就开始进行绿色制版技术的中试研究,目前已在印刷行业逐步推广,并形成了包括绿色制版、绿色版基和绿色油墨在内的完整的绿色印刷制造产业链技术。我们印刷的第一份报纸,就是《北京日报》集团下面的《京郊日报》。”宋延林自豪地说。

宋延林没有气馁。凭借国家杰出青年科学基金和科技部、中科院的资助,他对基础科学问题进行了系统透彻的研究,终实现了对“液滴的扩散、黏附与转移”等关键问题的突破,解决了困扰学界和工业界多年的“咖啡环效应”。

中国现行科研体制下,一般的研究路径将基础研究和应用研究分得很开。但宋延林的研究领域却努力将两者结合起来,形成链条式研发。

宋延林的“绿色印刷电子”之路,也在稳步推进。他们已经利用这项技术,制作电子标签和各种票证,在物联网领域广泛应用。“举个例子,我们使用的地铁票里面就有芯片和电路。目前,印制地铁票的技术已全面通过考核,从根本上消除污染的同时,极大地降低了成本。”

宋延林用PPT为我们演示了在他“操纵”下神奇的纳米世界:一个墨滴可以由一个、两个到几个数目可控的纳米颗粒形成;一个个纳米颗粒像糖葫芦一样乖乖“听话”地整齐排列,串成一条直线。“纳米尺度点、线、面形成控制等基础问题的解决,突破了传统印刷技术精度的极限,可以自豪地说,这是目前能看到的好结果了。”

“我最早做基础研究工作时偏重信息存储方向,研究信息如何从模糊的表达到数字化的表达。有了这样的基础,后来接触到印刷和打印时就发现道理是相通的。对印刷品来讲,有文字的地方就是‘1’,空白的地方就是‘0’,关键问题是怎样在印刷品上实现‘0’和‘1’的区分,这里就涉及到整个印刷技术的发展过程。”宋延林说。

在印刷电路的车间,记者注意到,通过技术团队研发的设备和油墨,可以直接印刷头发丝粗细的电路。“这项技术我们还在继续改进,未来像身份证这样的各种证件,包括手机触摸屏,也可以通过印刷制备出来。”宋延林还介绍,目前,他们的技术已经实现了在塑料、纺织面料和玻璃、陶瓷等多种材料上的图案打印,可以解决传统生产过程的高污染和高能耗问题。

“打印”出绿色新世界[2.95%资金研报]

“化学所是以基础研究为主的研究所,我们团队主要的精力也在基础研究方面,我们课题组发表了200多篇研究论文,其中有30多篇论文作为封面论文发表,并得到了很多关注和研究亮点报道。”宋延林解释道,他现在从事的基础研究问题很多都是从产业化过程中归纳出的问题,在解决这些问题的同时也推动基础研究的发展,可以说是“从实践中来,到实践中去”。其中的很多问题既是国际上的技术难题,也是科学难题。

在宋延林的展望中,纳米材料绿色印刷制造技术有着广阔的应用前景,是对多个传统行业制造技术的革命,也将催生很多战略新兴产业。这项技术发展成熟后,可以应用在电子纸、电子服装、物联网、柔性显示、电子装饰、太阳能电池、照明导线、传感器等诸多产业。

正如宋延林所说,纳米绿色印刷技术区别于过去传统工艺“减材制造”的方式,是一种以“增材制造”为特征的现代制造技术,类似于现在热门的3D打印技术,需要增加什么才打印什么。从原理上来说,显然新技术更加具有环保和节约的优势。2009年,宋延林团队研发的纳米绿色制版技术的中试线建成,并推向市场。在新技术拉动下,跨国企业CTP版材的价格从每平方米上百元,不得不跌至40元以下。

2002~2004年,宋延林在中国科学院高技术局材料能源化工处两年的工作经历让他对应用研究和产业化的急迫性有了更加直观的感受:“因为实验室研究和企业需求关联度不高。我国产业发展过程中有很多技术难题,其解决方案是引进国外的生产线,买国外的技术。我国的很多基础研究对产业的发展了解很少,对市场了解更少,而我们通常所说的应用研究又很多是比较局部、零散、滞后的,技术含量不够高。总体来说,仿制的东西比较多,独立的创新比较少。”

“纳米绿色印刷制造技术能够撬动很多大的产业。”宋延林说。

“从原理上改变技术,从流程上改变产业。”在此基础上,他带领团队将纳米材料应用于绿色油墨、绿色铝板基生产等领域,形成了完整的绿色印刷产业链技术。

宋延林认为,科技本来应该起到引领经济社会发展的作用,而现实中基础研究和应用研究的关系就好像是一个跑得太远了,另一个在后边追,脱节的情况比较严重。

在纳米材料绿色印刷制造领域,宋延林领衔的技术团队正走在世界的前列。他们从印刷技术的原理突破出发,在最基本的墨点尺寸与融合的控制方面取得了创新的研究成果,并率先实现了应用,其理念和思路都是引领性的,也受到国内外产业界的广泛关注和跟踪。

你要是以为宋延林的“野心”只是“印书印报”,那你就错了。中科纳新犹如芯片工厂般干净整洁的车间里,仅有少数工人操作着机器。生产线的一头,“吐”出一张张像“公交一卡通”大小的IC卡。2013、2014年全国科技活动周暨北京科技周主场的2万张门票,就是这里制作的。

“在院机关工作的两年对我的触动很大。一方面国家、社会和公众对中科院都有很高的期望,也能尊重和理解中科院在基础研究上为国争光,但同时也希望科技的发展能对经济发展有实实在在的作用。”宋延林坦言,2004年后,他开始关注能解决实际问题的研究方向,“不过这种解决实际问题不能是简单的‘配方’型研发,中科院要在重要产业发挥战略性和前瞻性的先导和引领作用。”

“但我们并不担心。在这些技术方面,我们有一些关键性的专利布局,也有着深厚的基础科学与技术研究积累。随着这项技术的日臻成熟,其变革性会逐渐显现,将会极大地影响和改变人们的生活和工作方式。”宋延林说。

令人惊喜的是,纳米绿色印刷技术在电子、建材、印染等行业也可以大显身手。目前电路板制造采用蚀刻工艺,一张覆铜板90%左右的铜都要腐蚀掉,并造成严重环境污染。“我们利用金属纳米颗粒,通过打印印刷的方式做这件事情,就可以完全避免污染环境和材料浪费。”

此后,让宋延林念念不忘的是怎样把基础研究和产业的变革联系起来。“国际上普遍认为中国制造还是建立在牺牲资源、环境,利用廉价劳动力的基础之上,这两个因素目前都面临着不可持续的挑战。与产业发展紧密结合才能使科技真正带动经济增长方式的转变。”

《中国科学报》 (2014-08-05 第1版 要闻)

宋延林介绍,纳米材料绿色印刷电路技术具有价廉、灵活制备柔性电路的优势,不仅能提升传统印制电路板行业的生产技术水平,而且还可应用于物联网、柔性显示、太阳能电池、生物芯片等印刷电子产品领域,市场前景十分可观。

宋延林告诉《中国科学报》记者,制版技术从原理上讲经历了两个大的阶段,一是基于物理凹凸结构形成图文和空白的物理成像阶段;二是以汉字激光照排为代表的化学成像阶段。后者的贡献在于把感光化学和感光成像技术应用到印刷技术上。“这个过程相比铅字排版是一个革命性的变化,但利用感光成像原理,其生产运输等等都需要避光操作,造成感光废液的排放,另外80%以上的感光层是被腐蚀掉的,所以会造成大量的材料浪费”。

“也许将来手机、电脑、电视屏幕都可以打印出来,卷起来就能带走。”宋延林已经窥见了未来的无限商机。“我们这个以印刷为开端的改变中国产业污染现状的技术,能延伸的领域极广,这将是一场新的技术革命。”

宋延林的团队尝试在亲水的版材上打出亲油的图案,靠表面能的反差区别图文区和空白区。“这样就可以直接印刷了,我们利用的正是材料表面能差异的成像原理。”这一技术申请了一系列专利,是目前最环保的印刷技术。

“科学研究的价值在于创新,将个人梦想汇入人类进步的梦想之中,不断发现新现象,认识新规律,创造新应用,将‘Impossible’变成‘I’mpossible’,”宋延林话语铿锵有力,“我们追求的是要从根本上改变这个世界,让她变得更加美好。”

据宋延林介绍,这里面纳米技术起到了关键作用。“普通墨打印会有图像边缘模糊现象,我们就靠纳米材料增强其亲水性和亲油性的反差,还利用纳米颗粒复合增强耐印力。这就涉及到很多具体的基础研究问题”。

向污染和垄断“说不”

一项新技术从研发到应用通常要经过很长的发展时期。由于这是一项全新的技术体系,不仅是新材料问题,甚至设备、软件都需要自己解决。这对宋延林和他的团队来说是一个不小的挑战。“从一个原理和想法出发,真正把其变为一个产业技术,不是只做自己熟悉的领域就行,这是一个全链条的过程”。

随着对印刷行业的了解,宋延林意识到传统的印刷产业链存在严重的环境污染问题:“激光照排技术需要两次曝光显影,过程繁琐,而且使用的显影、定影液等化学物质产生大量污染。即使目前先进的计算机直接制版技术,也需要感光预涂层和化学处理过程。印刷油墨中所用的溶剂主要是芳香烃类、酯类、酮类、醚类等,印刷干燥后约70%-80%的溶剂直接挥发到空气中;油墨中的重金属等有害成分还存在严重的健康和食品安全隐患。”

现在,宋延林及其研究团队的研究主要围绕纳米材料和印刷技术的结合问题。提出印刷技术发展的“四化”:绿色化、功能化、立体化和器件化。印刷产业链有三个大的环节会产生污染的排放,一是感光冲洗废液排放,二是印刷版材铝板的电解氧化是一个高耗能高污染的过程,三是油墨中的溶剂会污染环境。“到目前为止,我们形成了全世界最环保的绿色印刷产业链技术:不用感光冲洗制版,不用电解氧化的铝板做版基,利用水性墨,整个印刷产业中所有环节的环保要求我们都努力从源头予以解决,这也涉及很多国际科研前沿中非常基础的工作。”

同时,印刷术是我国古代四大发明之一,而如今印刷行业的核心技术却长期被国外企业垄断,设备和耗材价格昂贵,国际巨头坐享高额利润。面对实力雄厚的竞争对手,宋延林没有畏惧,愣是从打印墨盒一直“追杀”到印刷厂,“虎口”里夺食。

宋延林强调,原来的很多制造技术都是减法原理,而新的绿色技术是做加法,没有浪费,所以不产生污染。在怀柔产业基地,利用各种纳米材料和油墨,众多的书籍、期刊,以及地铁票、APEC会议的门卡等等被印刷出来。“而且我们把绿色印刷的技术推广到别的领域,比如在建材中,玻璃陶瓷上直接打印出图案,就不用原来的高温烧结技术,能耗大大降低。”宋延林表示,印刷的视野应该拓宽,不仅仅是原来的印书印报,“纸张”和“墨”的概念可以拓展到很多领域。

在和产业接触的过程中,宋延林深刻认识到用科技进步改造、提升传统产业是每个科研人员肩上沉甸甸的担子。如何赶超?“我们必须另辟蹊径,从技术上实现突破。”宋延林决心闯出条新路子,用纳米材料通过打印研发出绿色制版技术。

传统印刷业目前正面临着两个大的挑战:一是电子阅读导致印刷读物销量下降,二是环境的巨大压力。通过绿色印刷,不仅可以大大拓宽可印刷物的范围,还可以降低印刷全过程的污染。可以说是印刷业的一场革命。

宋延林研究团队的主页上有一个座右铭:From “Impossible”to“I’m possible”。宋延林认为,这正是他的团队能提出和发展一种新技术的动力。“任何一项新技术的发明要经过三个阶段,一是别人没想到的时候你想到了,二是别人想到没去做而你去做了,三是很多人做的过程当中遇到困难就放弃了,而你没有放弃”。

宋延林对他自己和团队的要求就是一定要有这样的自信,别人都认为是不可能的事,只要原理可行、敢于创新、能够坚持,就有希望把不可能变成可能。

“从技术上来讲,走一条别人没走过的路,首先你自己要有强大的内心。当我们遇到软件和设备的研制困难时,我们也曾怀疑过这条路会不会走不通?”宋延林说,他的团队有三句鼓舞士气的话:要解决问题,不要解释问题;要创造机会,不要等待机会;要压倒一切困难,不被任何困难压倒。“要做变革性的技术一定要有这样的决心。”宋延林总结道。

《中国科学报》 (2016-05-23 第6版 院所)

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