哈佛大学Science Advances——声波印刷

近日，哈佛大学的Wyss仿生工程研究所的Jennifer A. Lewis 教授和Daniele Foresti研究员等人，利用亚波长Fabry-Perot谐振器的声学特性，开发了一种新型声波印刷技术，可以对包括牛顿流体在内的各种软材料进行按需喷涂，其粘度范围超过四个数量级（0.5至25,000 mPa·s），并产生应力流体（τ₀> 50 Pa）。这一技术将促进许多新领域的发展，如生物制药、化妆品和食品，并扩展了光学和导电材料的开发。其相关工作以“Acoustophoretic printing”为题，发表在《Science Advances》期刊上。

迄今为止，喷墨打印（inkjet printing）是最常见的液滴图案化技术，具有极高的分辨率（10 μm）、非接触式沉积和液滴产生率高（1至100 kHz）等优点，已广泛应用于生物微阵列、增材制造等领域。

在常规的喷墨打印中，墨滴主要是通过重力作用滴落到衬底上的；然而，仅通过重力作用，墨滴的尺寸将会变得很大，尤其是对于粘度较大的液体来说（例如高粘度的牛顿流体）。因此，人们希望借助外力来精确地控制墨滴的滴落过程，例如利用外加的电场，以实现喷墨打印的高速度和高分辨率特性。然而，该方法不仅需要墨水具有特定的电磁特性，对原材料有所限制，而且还需要精细地控制电场以实现喷嘴、基板和墨水材料特征之间的完美匹配，在技术上具有一定的难度。

这一问题可以用以下理论来阐释：液滴的跌落脱离过程取决于Rayleigh-Plateau非稳定特性，这一动态过程涉及界面力和粘性力之间的强耦合，主要通过Ohnesorge无量纲数的来描述：Z = Oh^-1=（ρσR）^1/2/μ，其中R是液滴半径，ρ是密度，σ是表面张力，μ是液体的粘度。为了确保液滴喷射的成功率，必须在1 < Z < 14的范围内精确地调整墨水的成分和打印参数。因此，喷墨打印仅适用于低粘度的油墨印刷（比水的粘度高约10至100倍）；而当液体的粘度超过1000 mPa·s时，人们必须依靠特殊的喷射技术（jetting），其喷射速率取决于材料的粘度、液滴源的膜厚（或喷嘴尺寸），以及源与基板之间的距离。每种油墨混合物的粘度也会随着温度和成分的变化而急剧变化，使得优化印刷参数以控制液滴尺寸变得更加困难。

最近，科学家们想到，声波产生的作用力基本不依赖于液体材料的属性，已经利用声场来捕获或操纵微小物品，通常用于片上器件（lab-on-a-chip）中，以筛选和操纵液体中的细小颗粒、细胞或液滴。在声学印刷（acoustic printing）中，声波聚焦在“液体-空气”界面上，通过声场的作用力来喷射单个液滴。这是一种无喷嘴的印刷方法，可以很好地控制液滴的大小和喷射频率。但是，液滴的产生要求液体具有喷墨打印所需的特性。在微流体器件中，声表面波就是用来产生这种液滴的；然而，与声学印刷相比，它们在空气中的应用仅限于液滴的形成、喷射和沉积控制，在可选择材料的范围上也有一定的局限。