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纳米材料绿色制版技术的启示,宋延林称纳米材

发布时间:2019-07-11 11:43编辑:化学科学浏览(194)

    中国科学院常务副院长白春礼应邀为《科学通报》撰写评论文章――从基础研究到技术创新:纳米材料绿色制版技术的启示(《科学通报》第54卷第14期)。现转载全文如下:

    “在印刷制版领域,我国主要采用的还是激光照排技术,国外已开发出计算机直接制版技术(ComputerToPlate,CTP)以取代激光照排。这两种技术的基础都是基于感光材料,存在由此带来的感光、显影、冲洗等复杂过程和避光操作的繁琐工艺,并因化学品清洗引起严重的环境污染问题。而我们基于纳米材料研发的印刷制版技术具有非感光、无污染、低成本、工艺简单、绿色环保等多方面的优势。”不久前刚刚获得首届“中国化学会-阿克苏诺贝尔化学奖”的宋延林不无自豪地说。

    汉字激光照排技术让中国印刷业告别“铅与火”,迎来“光与电”。随着科学发展、可持续发展理念的普及,绿色环保成为印刷业的发展趋势。中国科学院化学研究所宋延林等科研人员采用不同于现有感光成像的思路,提出了基于微/纳结构亲/疏水可控转换原理的打印制版技术,直接打印形成了具有相反浸润性的图文区和非图文区,彻底克服了传统制版技术的环境污染问题,简化了制版工艺,降低了成本。纳米材料绿色制版技术在研究思路、工艺流程和制版材料等方面与目前国际上流行的计算机直接制版技术(computer to plate,CTP)有本质的不同,具有以下三方面的优势: 省去了感光预涂层及其冲洗化学品,在从根本上消除环境污染的同时,大大降低了成本; 简化了制版流程,无需暗室避光操作,并省去了曝光、冲洗、晒版等环节; 直接在印版上打印图文,减少了图像转移次数,图像再现性好,无需拼版、修版,图文质量显著提高。

    宋延林是中国科学院化学研究所的研究员,因在有机高密度信息存储材料、聚合物光子晶体的制备和应用、绿色打印印刷材料和技术等方面的重要研究成果,荣获首届“中国化学会-阿克苏诺贝尔化学奖”。1970年创立的“阿克苏诺贝尔科学奖”每两年颁授一次,以表彰不同领域的杰出科研成果。2009年此奖项被引进中国,与中国化学会合作,用以表彰中国化学家。

    在该技术中,纳米材料发挥了关键作用。从技术路线上看,这种基于浸润性调控直接打印制版的方法具有工艺简捷、绿色环保、低成本、无需避光操作等多方面的综合优势。但要发展成为一项可行的应用技术,还必须考虑印刷过程对印版的基本要求,如印刷精度、耐印力等。解决这些问题离不开基础科学问题的研究和突破,特别是纳米材料和纳米结构的制备和应用。 要实现高精度的印刷,就必须形成图文区与非图文区清晰的界面,亲油和亲水界面要有足够的反差,即图文区超亲油,非图文区超亲水。研究人员通过对印版材料表面进行纳米结构处理,不仅可以实现版材的超亲水,而且可以有效地实现对图文区域浸润性的调控,实现其从超亲水到超亲油的转变,避免了图文区和非图文区因反差不够导致的印刷糊版现象;同时,要提高印刷分辨率,就要控制液滴在版材上的浸润与去浸润行为,这就需要对液滴的表面张力、黏度和版材的表面进行很好的控制。通过版材表面构筑特定的纳米结构,可以有效地控制液滴在固体表面的扩展和浸润行为,从而提高打印和印刷分辨率; 为保证印版的耐印力,需要图文区有足够强的耐摩擦性。科研人员通过在转印材料中复合纳米粒子,有效地实现了转印材料的复合增强,提高了图文区的耐摩擦性。这需要解决纳米粒子的可控制备、稳定分散及复合等诸多基础研究和应用技术问题,以避免颗粒团聚引起的打印堵塞等问题。因此,纳米结构版材和纳米粒子复合转印材料的应用,有效地解决了印版应用中最关键的两个问题: 印刷的精度和耐印力。

    一场报告改变人生轨迹

    这一自主创新的纳米材料绿色制版技术的成功研发,有可能让印刷业“弃暗投明”。通过分析该技术的研发过程,我们得到如下启示。

    1969年出生的宋延林在家乡河南安阳读小学、中学,1985年以优异成绩考入郑州大学化学系,读完本科又读硕士,1992年到北京大学攻读化学专业的博士学位。

    1 基础研究的长期积累为抢占产业技术制高点提供支撑

    宋延林说,在北大一个偶然的机会,他听了电子学系薛增泉教授的一场报告,对他描述的超高密度信息存储的研究产生了浓厚的兴趣。

    要解决现有印刷制版过程中的污染等问题,能否摆脱感光成像的技术思路实现印刷制版,成为问题的关键。中国科学院化学研究所纳米材料直接制版项目组长期研究信息存储材料的设计、制备、存储及其机理,有关研究成果获得2008年国家自然科学奖二等奖。从原理上讲,所有的信息存储可以转化为二进制的“0”、“1”语言方式,即信息记录区和非记录区要有明显差异的物理化学性质。对印刷过程而言,就是呈现印刷区和非印刷区两种相反性质的区域。这样,问题的关键就在于如何形成亲水、亲油的微区。近年来,中国科学院化学研究所在纳米界面材料制备及超亲水/超疏水浸润性方面开展了一系列有重要影响的基础性研究工作,有关研究成果获得2005年国家自然科学奖二等奖,这为有效地控制印版表面微区的浸润性提供了坚实的基础。另外一个关键问题是如何在版材上得到精细的图文区。“十五”期间,中国科学院化学研究所承担了国家高技术研究发展计划项目“纳米粒子的制备和应用”,通过解决纳米颜料粒子的制备、包覆、稳定分散和表面张力调控等基础问题,开发出彩色打印材料,其主要性能超过国外著名公司生产的产品,可以打印出色彩逼真的精细图案。正是基于以上在信息储存材料的结构与机理、纳米界面材料的物理化学性质研究以及纳米粒子制备、稳定、分散等方面长期基础研究的积累,从事材料科学的研究者才能提出通过打印实现直接制版技术的路线,即将特制的纳米复合转印材料直接精确打印在超亲水的版材上,通过纳米尺度界面性质的调控,在打印区和非打印区形成具有相反浸润性的纳米微区,从而实现直接制版印刷。2007年伊始,这个创意得到了中国科学院重大基础研究项目“纳米科技在若干重要领域的应用探索”的重点支持,从而使创意变成了模型样机。

    什么是超高密度信息存储?“美国国会图书馆的所有信息,都可存储在一块方糖大小的芯片中。”这是美国前总统克林顿在一次关于纳米科技的报告中,对超高密度信息存储作出的形象描述。

    为什么这样一种原始性创新技术是由从事化学和纳米材料的科研人员提出并实现,而非由印刷领域的技术专家发明呢? 我认为主要是因为相关技术突破的科学基础是由从事纳米材料的科技人员在长期积累的基础上完成的。通过分析纳米材料绿色制版技术等项目的研发过程可见,提高自主创新能力,最关键的还是原始创新,加强基础研究是提高原始创新能力的重要措施之一。尽管不能把所有的创新都归结到基础研究,但是没有很好的基础研究积累,原始创新都是空话,最终只能是模仿,只能是引进。没有基础研究的长期储备和雄厚的积累,技术创新与突破、应用与开发就成为无源之水,就难以有核心知识产权。创新型国家今天在高技术领域取得的成功,大多可以溯及其昨天甚至前天对基础研究做出的战略部署;而今天对基础研究的投资和支持,则为将来占领高技术发展制高点奠定基础。

    宋延林说,随着信息技术的飞速发展,人类要处理的信息量与日俱增,要求不断开发具有更高信息存储密度及更快响应速度的材料和器件。如何提高读写速度、实现纳米尺度信息存储是目前迫切要解决的问题。而要实现超高密度信息存储就必须超越目前光、磁存储的极限,因此在材料设计、存储方法等方面都必须具有新的思路。

    基础科学在整个国家发展中的作用和地位,对经济社会持续发展的重要性毋庸置疑。基础研究创造新的科学知识,是一个国家科学水平和对人类文明作出创造性贡献的重要标度。基础研究是高新技术的源头,创新人才的摇篮,可持续发展的保障,先进文化建设的基础,是支撑自主创新能力的筋骨和脊梁。江泽民同志指出: 基础研究是科学之本,技术之源。胡锦涛同志指出: 基础研究是科技进步的先导,是自主创新的源泉。最近,美国科学基金会请经济学家对美国最近25年的经济增长作了研究,调查基础科学在其中所起的作用。经济学家得出结论: 过去25年来,美国经济增长的50%以上归功于以基础研究为动力的研究和开发。

    专业学的是有机和高分子化学的宋延林介绍说,有机材料因其独特的光电特性和结构可控等优点,在超高密度信息存储领域受到广泛关注。设计具有优异光电特性、良好成膜性和稳定性的有机分子并制备其高质量薄膜,特别是将其用于分子电子器件,已成为近年来研究的热点之一。

    2 国家和社会需求是成果转化和产业化的第一驱动力

    在北大攻读博士学位,以及在清华大学化学系进行博士后工作期间,宋延林与合作伙伴通过大量实验,设计制备出一系列有机分子薄膜,成功地写入尺寸为1.3纳米的记录点,比国外同期的研究结果要小近一个数量级。1997年,这一成果被评为当年“中国十大科技进展”之一。

    印刷术作为我国古代的四大发明之一,为人类进步和文明传播作出了巨大贡献。但随着西方基于感光材料的照相制版、激光照排等技术的发展,我国印刷技术的发展远远落后于世界先进水平。王选院士研发推广的汉字激光照排系统引起中国现代印刷技术的一次革命,为行业进步和国民经济发展作出了重要贡献。目前,中国印刷业已经发展成为对我国国民经济有重要影响的行业之一,2007年我国印刷工业总产值达到4600亿元1),且在1995~2007年间,中国印刷行业总产值平均年增长率为16.7%。这样快速发展的巨大市场对具有自主知识产权的先进印刷技术提出了迫切需求。为应对国际金融危机,纳米材料绿色制版技术也被国务院列入发挥科技支撑作用的重大项目。

    印刷制版技术的突破性进展

    近年来,数字化、网络化的快速环保印刷技术成为印刷行业的发展趋势,国外开发的计算机直接制版技术成为取代激光照排的代表性的先进技术。即使这种目前国外最先进的印刷技术,亦需要感光预涂层和化学处理过程,而且CTP的核心技术被国外企业垄断,设备和耗材价格昂贵,让大多数的中国企业望而却步。国内虽然有不少研究单位开展了相关研究工作,但主要是以国外的技术路线、设备和材料为跟踪模仿对象,走仿制、替代和国产化的道路。这不仅存在知识产权问题,而且由于国外大型跨国公司拥有雄厚的研发力量和技术储备,每当国内的仿制接近国外水平时,国外企业就会推出新的替代技术和产品,因而国内的研发长期处于被动跟踪阶段而难以得到推广应用。目前我国印刷制版行业主要采用激光照排制版系统,而从国外引进的CTP系统也逐年增多。要想摆脱以上被动局面,必须走跨越发展的道路。

    上世纪80年代,王选院士主持开发的汉字激光照排技术引发了我国印刷业的一场技术革命,让中国印刷业“告别铅与火,迎来光与电”。近年来,随着数字化、网络化的快速发展,环保印刷技术成为印刷行业的发展趋势。但取代激光照排的代表性技术——计算机直接制版技术却被国外企业垄断,设备和耗材价格昂贵,让大多数中国企业望而却步。

    激光照排和CTP技术的基础都主要是基于感光材料,因此不可避免地存在由此带来的感光、显影、定影、冲洗等复杂过程和避光操作的繁琐工艺,并因化学品清洗引起严重的环境污染问题。即使声称已经环保优化的CTP制版机,冲洗每平方米版材也需要化学品约300 mL,包括显影液、补充液、定影剂,其中金属银浓度为6~10 g/L,铝含量约为0.5 g/L。虽然一般的做法是把废液中和后排放,但仍会对环境造成严重影响。每年全国排放的化学废液达数十万吨,其中含金属银数百吨,铝数十吨,造成严重的环境污染和资源浪费。

    宋延林介绍说,激光照排技术和CTP技术的基础都主要是基于感光材料,因为要使用显影液、定影剂等化学品,会对环境造成污染。据统计,每年全国排放的化学废液达数十万吨,其中含金属银数百吨。“通俗地讲,激光照排和CTP技术都是感光成像的原理,激光照排就如同用胶卷照相,需要胶片和印版两步暗室冲洗过程,时间长、工艺繁琐;而CTP技术有些类似于不用胶卷的‘拍立得’照相,减少了胶片步骤,速度快但成本高。”

    通过纳米材料绿色制版技术等研究项目的分析可见,我们应进一步促进基础科学研究与经济社会发展紧密结合。目前,我们的科研体系更着重于以专业背景为主线组织研发,与企业所需要的以产品为主线的技术需求存在着较大的距离和偏差,导致一些科研成果虽然通过国家和地方各级鉴定,但大多停留在论文或实验室原理型样机水平上,至于能否及时有效地转化则不在考虑范围,这也进一步导致科研行为与市场需求脱节,当然更不能受到投资者和应用者的青睐。因此,科技工作者和科技管理部门必须牢牢把握市场和转化时机,对那些满足国家战略需求、有较好市场前景和经济效益的成果进行大力扶持,加快成果转化和产业化.

    能不能研制出更加环保的全新的印刷制版技术,既无污染、不需避光操作,又价格低廉,拥有我们自己的?

    面对新形势、新任务,要深刻分析国家未来发展的新需求,提炼出产业、行业以及社会发展等方面亟待解决的关键科学问题,深入开展基础科学研究,提出新原理,发展新方法,创造新技术,努力解决瓶颈问题,为全面建设小康社会提供坚实的科学基础。当前,要继续围绕国民经济重点领域,如农业、能源、信息、资源环境、人口与健康、材料等的重大科学问题进行部署,不断取得新的进展。要坚持战略性、前瞻性部署,站在世界科学前沿,选择能够引领未来发展、对科学技术有很强带动作用、可促进我国持续创新能力迅速提高的重大课题开展研究,力争实现重点跨越。

    宋延林认为,印刷技术的关键问题就是如何才能形成亲水、亲油的微区,以及如何在版材上得到精细的图文区。“从原理上讲,所有的信息存储和显示都可以转化为二进制的‘0’和‘1’的方式,这要求信息图文区和非图文区要有明显差异的物理化学性质。对印刷过程而言,只需以“0”呈现非印刷区,以“1”呈现印刷区,即可实现印刷的过程。”

    20世纪中叶以来的短短50多年间,科学技术发展经历了6次大的变革: 20世纪40~50年代,以原子能释放和控制为标志,人类开始了利用核能的新时代; 50~60年代,以人造地球卫星的成功发射为标志,人类开始了克服地球引力,向外层空间的进军; 60~70年代,以重组DNA实验的成功为标志,人类进入了可以控制遗传和生命过程的新阶段; 70~80年代,以微处理器大量生产和广泛使用为标志,人类揭开了扩大大脑能力的新篇章; 80~90年代,以个人计算机和软件开发为标志,在世界范围内掀起信息化浪潮; 90年代以来,以互联网和无线通讯的广泛应用为标志,人类加速了知识生产和传播的进程。从历史发展进程来看,国家和社会需求是成果转化和产业化的第一驱动力。在今后的10~20年间,很有可能发生一场新的科技革命。这些科技变革的发生,极大地推动了生产力的发展,创造并引导新的消费需求,促进了社会的不断进步和经济的快速发展。

    澳门微尼斯人娱乐,“十五”期间,宋延林带领课题组承担的“863”课题“纳米颜料粒子制备及其应用”解决了打印精细图案的材料和技术问题。此间,他和同事在纳米界面材料制备及超亲水/超疏水浸润性的研究,为有效控制印版表面微区的浸润性提供了坚实基础。他带领科研团队瞄准我国对先进印刷技术的需求,开展了纳米材料绿色打印制版技术的研发工作,并取得了突破性进展。

    3 科技服务经济建设的关键在于加快科技成果的转移转化速度

    宋延林表示,“纳米材料绿色印刷制版技术”省去了感光预涂层及化学品冲洗步骤,在根本上消除环境污染的同时大大降低了成本;同时简化了制版流程,无须暗室避光操作,并省去曝光、冲洗、晒版等环节。不仅如此,直接在印版上打印图文,减少了图像转移次数,图像再现性好,无须拼版、修版,图文质量大大提高。

    纳米材料绿色制版技术的思路虽然简单,但实际涉及多个学科领域。多年来制版领域的几个国际巨头,如柯达、富士、爱克发都是感光材料的鼻祖,其高层技术核心为感光材料,技术专家不太容易放弃固有的技术背景,公司更不愿意放弃已有的技术优势和市场地位,因而一直延续从两步感光到一步感光的技术发展路径。而中国科学院化学研究所纳米材料直接制版项目组完全是感光材料的外行,没有包袱,所谓旁观者清。这也是柯达等大公司在数字化变革的大趋势下行动迟缓的原因。这恰恰为中国企业跨越国外的技术体系发展提供了机遇。基于纳米材料的新一代制版技术克服了激光照排制版技术工艺复杂、效率低和环境污染严重的问题,又克服了CTP制版技术的设备、版材成本昂贵的局限,具有很强的竞争力和广阔的市场前景。但一项新的技术从实验室走向产业化,是一个复杂而艰苦的过程。新的制版技术是不同于感光成像的新的材料设计思想,但仅有材料的突破还不能形成企业能够接受的应用技术。吸取国内很多新材料的研发因不能实现技术集成而难以推广的教训,本项目在重视创新的同时,注重技术集成。制版设备和集成软件采取由中国科学院化学研究所提出要求,委托优势单位研制开发的方式,进行契约化管理,以保证实现优势互补和技术集成(如专用软件委托北大方正开发)。同时,集中各方面的力量,加快示范线的建设进度,计划用3个月左右的时间完成印刷机、版材涂布线、转印材料灌装线、制版设备等示范线的安装和调试工作。

    “鼠标一点,轻松制版;成本低廉,告别污染。”宋延林用了一句类似广告的语言总结了他们科研成果的特点和优势。

    为加快成果的转移转化,需要结合国内的产业基础,结合社会资源以企业化的机制高效运行。该项目组在版材的基材方面充分利用国内现有的版材研究与产业基础,在印刷工艺研究方面与北京中科印刷有限公司等骨干印刷企业开展合作,尽快实现从技术创新到产业化的突破。为实现与社会投资等资源的集成,目前中国科学院化学研究所正在与包括联想和TCL集团在内的多家企业和投资公司探讨产业化方案。通过与企业的紧密合作,这种非感光、无污染、低成本的绿色制版技术将从根本上解决我国印刷制版行业的环境污染和资源浪费问题,为提升我国近10万家印刷企业的技术水平和竞争力发挥重要作用。

    目前,宋延林课题组已申请发明20项,授权7项,并有3项发明申请了《合作条约》国际,初步形成了较为系统的自主知识产权。

    科技成果的转化一般需要相当长的时间,时间因素往往是决定性的,而并不仅仅是科技成果原本的先进程度。在科技发展水平日益接近的今天,科技成果转化缩短1~2年,就意味着巨大的优势。在我国总体基础研究水平相对落后于美国、欧洲、日本等发达国家的情况下,通过加快科技成果转化的速度,同样可以在经济领域形成创新型的生产力,带来产品的创新,迅速占领并垄断市场,从而获得最大的经济效益。翻看历史,拥有7位诺贝尔奖得主的贝尔实验室在晶体管、激光、移动通讯等领域创造和发明的成功实践,特别是贝尔实验室刚发明晶体管之后,通过国家征用的办法,在很短的时间内,将该研究成果无偿地交给10多家企业同时做转移转化工作,导致全美乃至全球半导体产业的迅猛发展。当代科研成果转化为现实生产力的周期越来越短,技术更新速度日益加快。例如,电话走进50%的美国家庭用了长达60年的时间,而互联网进入50%的美国家庭只用了5年时间。著名的摩尔定理和吉尔德定理也验证了技术创新周期加快的趋势,即“单位面积芯片的存储量每18~24个月增加一倍”、“主干网的带宽将每6个月增加一倍”。这些创新实践的成功经验,无疑再次强调创新实践与市场机遇密切相关。应该说,成功的创新实践必须等待市场机遇和抢抓市场机遇,创造市场需求,而且创新实践的转移转化速度非常重要。

    “深刻感受到体制的限制”

    4 结束语

    目前印刷业已经发展成为对我国国民经济有重要影响的行业之一,据了解,在1995~2007年间,中国印刷行业总产值平均年增长率为16.7%,2007年达到4600亿元。中国印刷及设备器材工业协会统计的数据表明,2009年我国印刷业总产值达到5000多亿元。这样快速发展的巨大市场对具有自主知识产权的先进印刷技术提出了迫切需求。

    从近70年世界科技革命的历程来看,科技变革的发生极大地推动了生产力的发展,创造并引导了新的消费需求,促进了社会的不断进步和经济的快速发展。因此,科技是引领经济社会未来发展的主导力量。从当代科技发展的新趋势、新特点来看,科技正在不断地突破人类传统认识的极限,不断地导致方法论的变革,宇观、宏观、介观和微观研究相结合。从基础研究到技术创新,是一个充满挑战的历程;从技术创新到产业化,更将要经过一条漫长而艰苦的道路。路漫漫其修远兮,但面向国家需求、为国家的经济发展作出实质性贡献,是科技工作者义不容辞的责任。

    2009年9月初,纳米材料绿色印刷制版技术中试线在京建成,这意味着这种新的印刷制版技术已经处于产业化的前夜。

    注释:

    宋延林说,“要实现产业化,必须以企业的形式运行。这就涉及国有资产的评估和股权等问题。目前的体制机制还不够顺畅,有很大限制和困难。”

    1) 中国印刷年鉴2008。北京: 中国印刷年鉴社,2008

    为了使绿色印刷制版技术尽快产业化,一年来,宋延林为处理产业化过程中众多复杂的关系左冲右突。他直言,“这一年来我深刻感受到体制的限制:人人都表示要大力支持,但固有的政策和流程常常让实际操作陷入僵局。”

    (转载自中国科学院院网)

    他表示,从传统的做科研的角度,他们已经完成了实验室研发的任务,若是有企业“接棒”,他们会“扶上马再送一程”,但从目前的情况看,不排除自办企业。

    也许不久的将来,在中关村的执行官中,人们会看到宋延林的身影。

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