在《Science Advances》近期发表的一项研究中，莱斯大学机械工程系孔永林教授团队提出了一种基于聚焦微波的全新电子3D打印工艺，解决了该领域十余年来的核心难题：如何在不破坏底层或周围材料的情况下，对打印电子墨水进行必要的加热处理。

电子制造的既有限制

器件性能和可制造结构的复杂度，很大程度上取决于能否在空间上集成多种功能材料，并精确编程其局部性能。现有电子制造方式在这方面存在根本性约束。

目前，大多数电子元件仍在大型集中式工厂中生产，并与最终设备分离制造。后续需要通过复杂且耗时的装配流程，将这些元件集成到目标系统中，这不仅限制了产品外形和结构自由度，也限制了其功能集成度。

理论上，多材料3D打印可以直接构建自由形态结构，并在结构内部同时写入电子和机械功能。然而，要让打印出的电子墨水具备导电等功能，往往需要经历高温热处理，这一步骤会损伤许多对温度敏感的基底和周围材料，从而大幅缩小可选材料范围。

聚焦微波带来的工艺变革

孔永林团队展示，通过将微波能量聚焦到与人类头发直径相当的极小区域，可以在3D打印过程中对电子墨水进行高度局部化加热，同时保持周围材料相对低温，从而显著降低热损伤风险。

孔永林指出：“选择性加热打印材料的能力，使我们能够在空间上编程墨水的功能性能，即便其周围包裹的是对温度极其敏感的材料。这让我们可以在桌面级打印平台上，将自由形态电子直接集成到包括生物聚合物和活体组织在内的多种基底上，而无需依赖复杂的厂房设施或大量手工装配。”

自博士阶段起，孔永林便持续推进电子3D打印技术，期间提出了多项具有应用潜力的创新工艺。但长期以来，无法对打印墨水进行选择性加热这一瓶颈，使得电子3D打印只能局限在少数材料组合上，严重限制了可打印器件的类型和性能。

Meta-NFS 近场微波装置的设计

为突破这一长期难题，孔永林在组建独立课题组后，一直在探索新的加热策略。他与新加坡国立大学微波工程专家、长期合作伙伴何俊副教授共同设计了一种名为“Meta-NFS”的装置。

Meta-NFS 是一种受超材料概念启发的近场电磁结构，可将微波能量高度约束在近场区域，在极小空间内形成足够高的能量密度，用于对打印墨水进行后处理。

当这一装置与微挤出式3D打印工艺结合时，研究人员可以在打印过程中通过调控聚焦微波，实现对局部加热的精细控制，从而在单次打印中连续地在空间上编程材料的功能性能。

例如，通过调整微波参数，团队能够精确控制局部加热温度和时间，进而调节打印颗粒的微观结构。这使得在不更换墨水材料的前提下，就能在一次打印中制造出机械和电子性能相差数个数量级的多功能电路，实现传统电子制造难以达到的性能梯度与功能集成。

研究还表明，该方法适用于多种功能材料体系，包括金属、陶瓷以及热固性聚合物等，说明近场微波打印可以在原位对多类材料进行处理和功能编程。此外，微波的选择性穿透特性使其能够对被完全封装的目标材料进行深层加热，为复杂结构内部的功能化提供了可能。

用多种材料构建复杂器件

凭借这些独特特性，多材料复杂器件可以在桌面级平台上通过连续制造流程一体化构建，材料选择范围显著拓宽。这与传统方法需要多套复杂设备、繁琐工艺和大量手工组装形成鲜明对比。

更重要的是，功能电子可以直接打印在温度敏感的生物聚合物和生物组织上，这在以往几乎难以实现。作为概念验证，研究团队将无线应变传感器打印在超高分子量聚乙烯表面——这种材料常用于关节置换。由此制备出的电子增强植入物能够实时监测应力与磨损情况，而不会改变原有植入物的结构特性。

团队还将无线传感器直接打印在牛股骨和活体叶片上，展示了在生物组织上构建功能电子的可行性，为研究和调控生物过程提供了全新工具和视角。

未来应用与潜在社会影响

目前，Meta-NFS 3D打印已成为孔永林团队探索新型电子器件的重要技术基础，支撑了一系列此前几乎不存在的应用方向。

团队正在利用这一工艺开发可吞服电子系统，用于个性化诊断和治疗；设计能够与生物器官高效接口的仿生设备；以及具备高度集成电子功能的下一代3D打印软体机器人和无人机等。

“Meta-NFS 3D打印让我们能够构建以往制造方法难以实现、甚至难以想象的新型混合电子系统，为满足许多尚未被充分解决的社会需求提供了新的技术路径。”孔永林总结道。