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。微機電系統(tǒng) (MEMS) 的發(fā)展使得噴墨打印技術(shù)更加精細高效。

　　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 選擇性打字機咔嗒作響，菊花輪打印機哐當(dāng)作響，點陣打印機發(fā)出刺耳的撕裂聲。

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

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

　　噴墨打印機的打印頭執(zhí)行著非凡的任務(wù)。即使在分辨率只有 96 dpi(每英寸點數(shù))的情況下，這在上世紀(jì)八十年代的早期型號中很常見，點中心到點中心的距離也只有 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 50 萬個單獨的墨滴。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。微機電系統(tǒng) (MEMS) 非常適合這項工藝，微機電系統(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，一臺典型的噴墨打印頭有 12 個并行工作的噴嘴，每個噴嘴每秒可以噴射多達 1350 個墨滴，從而每秒打印 150 個字母數(shù)字字符。如今，商用印刷機中使用的高端噴墨打印頭可能包含 21,000 個噴嘴，每個噴嘴每秒可以噴射 20,000 到 150,000 個墨滴。每個墨滴可能只有 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)。未來的應(yīng)用可能包括個性化醫(yī)療和開發(fā)先進電池。

　　事實上，如今搜索包含“噴墨”一詞的專利會返回超過 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)時瑞典發(fā)明家 Rune Elmqvist 申請了一項圖表記錄儀的專利，該記錄儀使用一個非常細的玻璃管，通過控制墨流在移動的紙帶上留下痕跡。幾年后，他用這種裝置展示了一臺記錄心電圖的儀器。

　　1965 年，斯坦福大學(xué)的 Richard G. Sweet 開發(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)稱為連續(xù)噴墨打印，到 1976 年，IBM 將其應(yīng)用于商用打印機 IBM 6640 中。但是連續(xù)噴墨即使在使用循環(huán)利用的情況下也會因墨水蒸發(fā)而浪費墨水，限制了它們的吸引力。

　　為了解決連續(xù)噴墨的浪費問題，其他人致力于開發(fā)按需噴墨打印機，打印頭上的每個噴孔每次噴出一個墨滴，避免了連續(xù)墨滴流的浪費。表面張力將墨水固定在一個微小的開放噴嘴中，直到一個機構(gòu)推動墨水噴出一個墨滴。每個撞擊紙張的墨滴都會形成一個點，打印頭來回移動會生成圖像。具有多個噴孔的打印頭可以同時噴射許多墨滴，因此打印頭每次經(jīng)過頁面都會添加圖像的一部分，而不僅僅是一條細線。

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

　　壓電器件依賴于某些材料在施加電壓時會改變形狀，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動。如果將 PZT 層粘合到非壓電材料上，形成所謂的雙壓電器件，則在施加電壓時會彎曲。在壓電噴墨噴嘴中，雙壓電器件的彎曲會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那樣可靠，而且如果打印機出現(xiàn)故障，整個西門子終端都將無法使用，因此沒有流行起來。

　　與此同時，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會沸騰并濺射，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)進行微型化。在他們構(gòu)建的打印機中，每個墨水噴嘴都包含一個電阻器而不是壓電致動器。電脈沖加熱電阻器，快速沸騰墨水的一薄層，形成一個快速膨脹的氣泡，將墨水滴推射出噴孔。

　　這項工作導(dǎo)致兩種相互競爭的熱噴墨技術(shù)在 40 年前幾乎同時上市。(同年，1984 年，愛普生推出了獨立的壓電噴墨打印機。)

　　惠普的 HP ThinkJet 是其基于熱技術(shù)的首款桌面噴墨打印機，旨在連接到個人電腦進行日常打印。它與最近開發(fā)的激光打印機相比具有直接的優(yōu)勢：它便宜得多?；萜盏囊慌_桌面激光打印機售價 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)。噴墨打印機的功耗也遠低于激光打印機，而且噪音更小。不可否認(rèn)，噴墨打印機的分辨率不高——在早期，噴墨打印機的分辨率為 96 dpi，而激光打印機的分辨率為 300 dpi——而且速度較慢。

　　但噴墨打印機的優(yōu)勢超過了劣勢(隨著技術(shù)的改進，優(yōu)勢更加明顯)，噴墨打印機開始主導(dǎo)桌面和家用打印機市場。如今，超過 20 家公司生產(chǎn)噴墨打印機，年市場規(guī)模超過 1000 億美元，并繼續(xù)以每年超過 8% 的速度增長。

　　使用噴墨打印 DNA 微陣列

　　隨著噴墨打印機制造業(yè)務(wù)的成熟和增長，一些公司開始探索可以用噴墨打印機輸送哪些其他類型的“墨水”。其中一家是 Agilent Technologies，它是惠普公司的一家分拆公司，專注于生命科學(xué)和化學(xué)分析技術(shù)。Agilent 開發(fā)了一種方法，可以從四種核酸堿基——胞嘧啶 (C)、鳥嘌呤 (G)、腺嘌呤 (A) 和胸腺嘧啶 (T) 中打印 DNA 鏈。具體來說，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，例如測量生物體在不同條件下表達哪些基因。學(xué)術(shù)研究人員已經(jīng)分享了開源方法，將現(xiàn)有的噴墨打印機改造為構(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)不只是可以用來打印紙張

　　在噴墨噴嘴的靜止?fàn)顟B(tài)[頂部]下，油墨通過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，當(dāng)施加電壓[右，中]時，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，上面排列著稱為斑點的微小區(qū)域，DNA 鏈附著在這些區(qū)域上。Agilent 在單個 2.5 厘米 x 7.6 厘米的載玻片上最多可生產(chǎn) 100 萬個斑點。開源系統(tǒng)在一個稍小的區(qū)域內(nèi)放置多達 10,000 個。每個 DNA 鏈由堿基 C、G、A 和 T 的序列組成。在雙鏈 DNA 中，鏈具有互補序列，它們像梯子的橫檔一樣連接起來，C 與 G 連接，A 與 T 連接。

　　DNA 微陣列使用單鏈 DNA，每個斑點有數(shù)百萬個具有共同序列的鏈。當(dāng)含有互補鏈的樣品沖洗斑點時，這些鏈與錨定在斑點上的鏈結(jié)合。樣品鏈標(biāo)記有熒光分子，用戶通過檢查哪些斑點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，打印機多次掃描底物，每次掃描向斑點中的每個鏈添加一個堿基，并進行中間步驟以準(zhǔn)備下一次掃描。

　　噴墨打印技術(shù)不只是可以用來打印紙張

　　可以使用噴墨系統(tǒng)在陣列的每個點處構(gòu)建定制設(shè)計的DNA鏈來制造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]液滴輸送到每個點。在第一個印刷周期，這些單體附著在化學(xué)處理的玻璃表面。在隨后的打印過程中，一個單體連接在每一條不斷生長的DNA鏈的末端。每個單體包括一個保護帽，以防止其他單體加入。額外的過程[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，并剝離保護帽以準(zhǔn)備下一個印刷步驟。

　　添加堿基實際上是一個三步過程。微陣列斑點中每個生長的鏈末端都有一個分子“帽”，可以防止更多堿基的無序添加。因此，第一步是通過洗滌溶液去除或鈍化那些帽。第二步類似于打印頁面：在微陣列上的每個斑點，噴墨打印機添加一滴含有下一個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。這些單體每個都包含一個新的帽，這樣每個鏈只能添加一個分子。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、合成和用于分析 DNA。一組研究人員報告說，使用他們的系統(tǒng)，每個堿基的附加循環(huán)時間為 10 到 20 分鐘，或者大約 13 小時可以生產(chǎn)一批陣列，每個陣列包含約 10,000 個包含 40 個堿基鏈的斑點。相比之下，Agilent 的商業(yè)微陣列通常具有長達 60 個堿基的鏈。

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

　　使用兩種噴墨墨水進行 3D 打印

　　除了打印二維頁面和構(gòu)建一維分子鏈之外，噴墨技術(shù)多年來一直用于生產(chǎn)三維物體。一種方法是粉末床 3D 打印的變體，其中通過在所需圖案中熔合或粘合粉末層來構(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 打印機通過沉積兩種類型的墨水來擴展這種方法：一種是粘合劑促進劑，另一種是細化劑，應(yīng)用于圖案的邊緣以防止促進劑滲入周圍的粉末。攜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，在存在粘合劑促進劑的區(qū)域?qū)⑵淙酆?。然后將新鮮的粉末層鋪設(shè)在頂部，并重復(fù)該過程，直到構(gòu)建完成。MJF 打印機可以快速創(chuàng)建復(fù)雜的 3D 對象，包括具有細微特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的對象。

　　噴墨打印技術(shù)的未來充滿希望。研究人員正在探索使用噴墨打印機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。

　　噴墨打印的未來不僅僅是紙張。這項技術(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。