喷墨打印银微柱阵列与多材料超构材料的3D架构创新及其微波频段各向异性调控

本研究突破传统喷墨打印技术局限，通过开发基于咖啡环效应的银纳米颗粒（AgNP）墨水层积策略，成功实现直径50 μm、高度4 mm的自支撑倾斜微柱阵列及螺旋结构的精确打印。结合多材料共印技术，构建了嵌入聚合物基体的浮动银结构超构材料，在8-12 GHz微波频段展现出可调控的各向异性介电特性（εr =3.11-3.45），为通信系统与电子器件制造提供全新解决方案。

　　

在电子器件小型化和功能集成需求日益增长的今天，传统制造技术面临复杂三维结构加工的瓶颈。喷墨打印技术虽在二维电子器件领域广泛应用，但其在三维架构制造中仍存在材料沉积速率低、结构稳定性差等挑战。尤其对于微波通信、超构材料等需要精密三维金属结构的领域，现有技术难以兼顾高分辨率与大尺寸制造。

英国诺丁汉大学等机构的研究团队在《Materials Today Advances》发表研究，创新性地利用咖啡环效应实现银纳米颗粒墨水的可控三维堆积。通过优化基底温度（T_sub
=70°C）和层间偏移策略（δ_L
=±1 μm），成功打印出直径50 μm、高度4 mm的自支撑银微柱，并构建螺旋结构和八面体晶格。结合多材料喷墨打印系统（Nano Dimension Dragonfly），将银结构与介电聚合物（Dielectric 1092）复合，制备出具有可调介电性能的超构材料。

关键技术包括：1）采用"离网打印"（OtG）策略实现亚液滴精度定位；2）利用矢量网络分析仪（VNA）和Nicolson-Ross-Weir方法测量微波频段（8-12 GHz）介电性能；3）通过CST Studio Suite进行电磁仿真设计；4）结合红外原位烧结提升银结构导电性（σ_z
=4.1×10⁶
S/m）。

【微柱形成机制】研究发现咖啡环效应在高温下（T_sub
≥65°C）可引导银纳米颗粒定向堆积，形成边缘厚度2.5倍于中心的环形结构。通过控制层数（n_L
）和基底温度，可实现穹顶状或环形两种顶端形貌的精确调控。

【三维结构拓展】采用层间偏移算法成功打印出倾斜角24°的微柱、三维螺旋天线（半径r=250 μm）和八面体晶格结构。电学测试显示银结构存在显著各向异性导电性，垂直方向电导率（σ_z
）仅为平面方向的13.6%。

【超构材料应用】通过调控银十字架结构在聚合物基体中的取向（x/y/z方向臂长0.25-1 mm），实现介电常数ε_r
在3.11-3.45区间的可控调节。当银结构与电场方向（x轴）平行长度从0.25 mm增至0.75 mm时，tanδ_E
增加37.5%，证实了结构取向对电磁响应的调控能力。

该研究将喷墨打印的三维加工能力推向新高度，首次实现毫米级银结构与功能聚合物的异质集成。所开发的工艺为制造定制化微波器件、可重构天线和高表面积电极提供了新范式，其无需掩模、低材料损耗的特点特别适合小批量多功能器件生产。未来通过开发更高导电性墨水和多打印头协同系统，有望进一步推动该技术在太赫兹超构材料等领域的应用。