◆    什么是纳米墨水

    “纳米墨水”是一款基于纳米颜料的墨水。“纳米墨水”能够用来“印刷”太阳能电池（就像用油墨印刷报纸一样），然后将其“涂”于房顶或墙上用来吸收阳光，产生电力，也可画出电子元件。

    纳米墨水的研究历程

    早在2002年，由美国史丹佛物质科学与工程系教授崔义所领导的一群研究人员示范了如何使用含有纳米碳管与纳米银线的墨水。一旦将这种墨水滴在纸上经过烘烤，普通纸就会变成一张可充当电池或超级电容的黑纸，就算弯折、卷曲、变皱，这张纸还是具有储电的能力。

    科格尔与他人合作在加利福尼亚州成立了一家名为创新光能（Innovalight）的公司，使用硅为基础生产“纳米墨水”。而此次试验的“纳米墨水”则用混合物铜铟硒化镓取代了硅，因为这一混合金属不仅成本低，而且对环境的负面影响也更小。

    相对硅而言，CIGS有一些潜在的优势。而它最大的长处在于，CIGS是一种直接跃迁半导体（相对于间接跃迁半导体），这也意味着使用它生产太阳能电池的原材料需求量更小。

    纳米墨水特点及应用

    这种墨水看起来和一般的印度墨水没两样，因为纳米墨水也是碳做的，但是是纳米碳管。崔义与他的研究团队曾在塑胶上试用这种墨水，但发现纸还是比较适合，因为能吸水且变皱也没关系，这种墨水也可用来当作制作导电墙的油漆。崔义教授表示，这种沾了纳米墨水的纸可以应用在与电网相接的储电装置上，可重复充电4万次。

    纳米墨水在特殊印刷上的应用

    南达科他州大学和南达科他州矿业学院的研究人员开发了一种技术，用来打印可以用于战斗隐蔽的快速响应隐形码。

    这种快速响应码能包含相较于传统条码100倍以上的信息。由于智能手机就能扫描读出，使得它更为受欢迎。例如，这种隐形码可以用来验证文档或者监控远程设备。

    “我们在安全性上已经取得了成效——这是引起大家兴趣的最主要方面——但是，但是它仅适用于某种特定类型的显示技术。”USD化学教授Stanley介绍。

    这种墨水包含纳米粒子，只在红外激光下才可见。这种纳米粒子在不可见段的近红外部分的光谱段吸收光子，然后向可见光谱段发射光子。

    这种墨水使用纳米粒子溶剂允许分子被修饰并用于塑料、木材、金属和其他表面。

    他们的发现发表在最近的《British journal Nanotechnology》上。Cross说，为这项技术申请专利还为时过早。“我们考虑过这个问题，但是我们认为还有点儿不成熟，”Cross说，“我们有一些其他的点子，可能会进行知识产权保护。”

    研究者现在正和华盛顿州的一家技术公司合作，并授权给了国防部。军方可能会对使用本技术追踪供应流中的设备感兴趣。

    人们纹身通常出于各种目的，比如表达自己对书法的垂青，或是在运动场上向他人展示自己那壮如钢铁般富有魅力的肱二头肌。而来自麻省理工学院（MIT）的一个研究团队发现了纹身技术的更高级应用：用纳米级颗粒制造的墨水监测血糖水平。

    糖尿病的高血糖状态会导致机体损害，带来视网膜脱落等症状。对于糖尿病患者及其主治医生来说，检测血糖水平尤为重要，一般采用的监测办法是一天取数次指血来测血糖，但由于人在用餐前后血糖水平有较大差异，也无法保证检测方法完全准确。

    随着技术的提高，一些持续监测血糖的手段也应运而生，但这些方法通常都需要将仪器刺入血管与血流接触，而且也不适合长期使用。因此，麻省理工的研究团队致力于寻找使用时间更为长久的方法。最终他们将纳米管封装于对葡萄糖敏感的多聚体中，制造出一种可注入皮下的“墨水”。

    这种纳米墨水在暴露于葡萄糖时，会发出荧光，这种荧光可以用近红外线探测到。与之对应的是一个既可以发射近红外线同时又可以感受纳米墨水发出荧光的传感器，患者通过佩戴这样一个类似于腕表的传感器，可以实时读出其血糖水平。而且，这种纳米墨水最大的优点在于它是暂时性的，可以每6个月左右便可自动消失。

    使用导电材料、荧光材料或纳米粒子液体刻写的纹身将成为一种不那么笨重、不令人讨厌和感觉麻烦的医疗监测手段。

    美国西北大学的药学教授希瑟·克拉克正在进行一项实验，试图制造出能让人一直处于联系状态的可嵌入设备。今年夏天，她展示了首款肉眼看不见的纳米粒子“纹身”，该纹身能通过在某些光线下发出荧光来监测血液中葡萄糖和钠的浓度。

    美国《技术评论》杂志介绍道，该纹身由120纳米宽的纳米液滴组成，这些液滴包含有一个荧光染料以及能依附于某些化学物质之上的传感器分子，分子越多产生的荧光也越强。一款配备了特殊滤光镜的iPhone手机可作为光源。在实验中，科学家们用iPhone手机的摄像头为荧光拍摄了一张照片并使用计算机对其进行分析，以确定生物标签的浓度。克拉克希望，他们最终能开发出一套可以阅读输出数据的iPhone手机应用程序。

    美国麻省理工学院的工程师们也制造出了旨在帮助糖尿病患者持续监测其葡萄糖浓度的纳米粒子“纹身”。工程师们表示，这些粒子也会在葡萄糖和红外光出现时发荧光，使用者能通过穿戴某些电子设备来提供红外线光束并解释荧光所代表的意义。

    尽管将这两套“纹身”加于人身上并非毫无痛苦，但与传统方法相比，这两套系统的侵入性毫无疑问要小得多。

    新型银纳米粒子墨水

    美国伊利诺伊大学的研究人员研制出一种由银纳米粒子构成的新型墨水，可应用于电子和光电等领域的塑料和玻璃基质上全方向的打印，能创造出更易弯曲和伸展的、跨度较大的微电极，实现信号从一个电路组件到另一个电路组件的传递。在论文中，该大学材料科学与工程系的教授表示，刻有图案的银微电极可以利用高浓度的纳米粒子墨水在宽度小于2微米的半导体、塑料和玻璃基质上进行全方向的打印。与喷墨打印和丝网印刷术不同的是新型的墨水还可实现侧面的打印。

    另有专家则表示，这个研究团队还能在众多类型的基质上利用不同类的电子材料制造出高度集成的系统。全方位的印刷则能克服部分制约潜在电子印刷产品发展的因素，为科学家研发出更尖端的印刷技术奠定基础。

    既能改写信息，又便于文字阅读的媒体需求越来越大，这就是能够利用电子装置显示，而且又具有像纸张一样的高可视性的“电子纸张”。这是一项早在约30年前就已开始研究的“梦幻技术”在方便使用的同时，用户还希望显示设备具有较大的显示面积，同时具有类似纸张的阅读性，超低的电量消耗，真正的超薄轻便设计。随着纳米技术的发展和应用，一种新颖的具有超薄化、超低功耗、长寿命、软屏化的显示技术——纳米电子墨水显示技术和显示器应运而生。

    技术已成熟

    电子墨水显示早在约30年前就已有研究，但达到能应用化程度则是近几年的事。这主要得益于纳米技术、微胶囊技术、微电子技术和材料改性等新材料技术及其器件集成技术的发展，近几年来，有关纳米电子墨水显示技术的各国公开报道的专利已有数百篇之多，技术发展十分迅速。

    纳米电子墨水显示技术原理是把带电的纳米微粒子分散在悬浮液体中构成胶体，当对该分散体系施加电场时带电粒子就会在电场的作用下发生电泳，使得带有一定颜色和电荷(正或负)的粒子定向泳动，同时透过透明电极构成显示。

    1995年，美国麻省理工学院媒体实验室的Jacobson J.提出了胶囊化电泳油墨（encapsulated electrophoretic ink）的设想并在技术上获得成功。这是纳米电子墨水显示技术的重大突破。

    电子纸的关键技术之一是朗讯公司的贝尔研究所于两年前开发的塑料晶体管（或称有机晶体管），该产品是基于碳基化合物形成的晶体管，据悉不需要诸如非结晶体硅树脂之类的昂贵的生产工艺。关键技术之二是EInk公司所拥有的电子油墨技术，该电子油墨由几百万个含有浓染料和淡颜料微型密封容器构成，通过塑料晶体管的电场改变色彩，映出图像。

    同样的电子纸，美国施乐公司也正在开发中，它采用名为gyricon的技术。gyricon电子纸具有满铺几百万个墨粉颗粒的穿透性塑料薄层，墨粉颗粒通过电压来显示黑白两色。

    2002年1月，EInk公司宣布，开发成功了一种世界上最薄的、可刷新的、可携带的类纸式阵列式显示媒体——纳米电子墨水显示媒体。该显示器只有信用卡一半厚，其重量和厚度都不到传统LCD的二分之一。这种显示器具有良好的柔性，能以高分辨率显示彩色信息，特别适应移动显示和方便携带。该显示的核心技术就是电子油墨技术，其用于显示信息的基本单元就是电子油墨微胶囊。

    2003年3月，日本千叶大学开发出厚度只有0.1毫米的电子纸(色粉显示板)，真正达到了纸的厚度范畴。之后，东芝公司也推出了自己的电子纸。

    2003年，E Ink公司、Philips公司和Sony公司共同宣布了第一个商业化电子纸显示模块，应用于Sony最新的e-Book阅读器中，显示分辨率达到了170ppi，可实现4级灰度。由于仅在电子纸中内容发生改变的时候才需要电能，因此用4节常规5号碱性电池就可以阅读10000页的文字内容。

    日本Canon公司开发的“仿纸张显示器”电子纸技术只在单侧配置电极，让黑色粒子在平面上移动的方法，分辨率为200dpi，使用塑料底板时还可以弯曲，不过缺陷是断电后内容维持时间仅为几分钟。目前这种纳米电子墨水显示技术处于黑白显示的商业化初期，显示面积最大为B5--A4幅面。彩色显示正在开发之中，并已取得了一定的进展。

    2004年3月24日飞利浦电子集团、索尼公司及E-Ink公司宣布，包含有世界上第一个电子纸媒体显示器的索尼新电子书LIBRI'e于四月底在日本上市。飞利浦的这款显示器使用E-Ink革命性的电子墨水技术，该技术提供了一种具有与新闻纸相同的对比度、酷似纸张的阅读体验。

    由于纳米电子墨水显示器——“电子纸”诱人的商业前景，可以创造全新市场机会，世界各国的许多公司都投入巨大的人力物力对其进行研究开发，目前已经取得了很大的进展，也有多家公司开发出了初步的电子纸产品。

    研究开发纳米电子墨水显示技术的主要公司有E INK、Philips、Sony、Canon、Xerox、Ricoh、Toshiba、Fuji-Xerox和大日本油墨等公司。业者预估，电子纸张潜在市场规模具有100亿美元商机，不过因为相关技术不成熟，有待改善空间仍大，加上厂商生产成本下降速度以及产能是否能够配合等多项问题，预估实际市场规模约在10亿美元左右。

    中国技术的欠缺

    目前，纳米电子墨水显示在国外研究较多，而我国在纳米电子墨水显示技术方面的研究很少。我国还未见有国家科技计划资助这一重大前沿技术的研究，也没有企业自主投资从事纳米电子墨水显示技术及器件开发的公开报道。只有少数单位开展了一些初步的材料探索工作，还没有开始进行显示器件的研究。如西北工业大学的电流变技术研究所对电子墨水的制备进行了一些研究，发表了数篇有关电子墨水制备的报道。

    除此之外，国内还未见其他有关制备电子墨水的文章。在我国的专利中，相关的专利只有数十篇，绝大部分是和电子墨水材料的选择有关，涉及纳米电子墨水显示技术及器件开发的几乎没有。因此，国内在纳米电子墨水显示领域还处于近乎空白阶段。对于如此重大的技术革命，如果我们不尽快开展工业化研究工作，努力赶上，那将来国家层次的产业损失将是无法估量的。

    我国在国家“863”、“973”计划和国家自然科学基金委纳米技术专项等的支持下，在制备电子墨水的关键技术方面——纳米颗粒和微胶囊的可控制备和工程化产业化生产方面已经积累了良好的工作基础，取得了一些有国际先进或领先水平的科技成果。在有机颜料的合成，纳米化技术，微胶囊的制备等方面也做了相当的前期工作，如分散液稳定性与颜料粒子表面型貌的关系，粒子表面改性技术，有机胶体溶液的制备和添加剂的作用，以及界面聚合法制备微胶囊技术等进行了工作，取得了令人满意的结果；在水性彩色油墨纳米粒子的制备和配方产品方面，进行了创新性的工作，拥有自主知识产权，其小试产品部分性能超过国际公司同类产品水平；在单分散球形SiO2纳米颗粒及其复合纳米颗粒制备方面具有特色和优势。因此，我国在纳米电子墨水显示所用的关键材料——纳米颗粒材料方面的制备和工程化方面已有很好的工作基础和特色，拥有自主知识产权。

    如果我们抓住机遇，迎头赶上，将在未来的新型显示器市场占有一席之地。

    和现有的显示器相比，纳米电子墨水显示器具备许多独特的优点，具体如下：

    ◆类似纸张的易读性

    纳米电子墨水显示器是反射式的，无论在明亮的日光下还是昏暗的环境中都能轻松阅读，事实上从各个角度看它都和真正的纸张相似，没有可视角度的问题。

    为了定量说明电子墨水显示器的像纸一样的易读性，我们拿电子墨水显示器与商品化的反射型LCD及报纸作了对比。在模拟办公室照明环境下，手持式显示器的一般观察条件（即使用者可以决定直视位置）；反射率是从显示设备白色区域反射过来并进入人眼的光线与入射光线的比值，对比度是显示设备白色区域的反射率与黑色区域的反射率的比率——对比度使人眼可以很方便地区分白色区域和黑色区域。在阅读文字时，反射率和对比度是决定显示设备的阅读性的两个重要因素。电子墨水（通过触摸屏）的反射率是LCD的6倍多，对比度是LCD的2倍。

    ◆超低能耗

    与平板显示相比，电子墨水显示器的电量消耗大大地减少。功耗极低的两个主要原因是：它是完全反射的，不需要大功率的背光源；它固有的双稳性，一旦写入图像，就不需要功率可维持很长时间。功耗是同类反射式显示器（LCD）的1/10到1/1000。

    ◆便携性和超薄轻便性

    电子墨水显示器模块比LCD模块更薄、更轻也更加坚固。这些优点与电子墨水显示器的超低功耗一起将直接导致更薄、更轻的智能手持设备设计，从而实现真正的便携特性。除了以上显著特点外，电子墨水还可以涂布在任何表面，制造轻便可以适度弯曲、折叠的显示载体。由它制造的电子书或电子报纸可以连接到互联网，有线或无线下载文本或图形信息，以及信息的更新可由遥控自动改变。此外,电子墨水工艺和大规模生产工艺兼容，制造低廉方便，易于大规模工业化生产且可循环利用，有利于环保。

    发展趋势预测

    由于纳米电子墨水显示技术还处于黑白显示的商业化初期，目前的主要任务是尽快完善黑白显示技术，开发市场。其技术发展趋势可总结为如下几个方面：

    发展趋势一是静态显示向动态显示发展。目前开发的电子纸张大多只能显示单色静态图像，但有的制造商正开发能够进行显示彩色以及动态图像的产品。现有产品的响应时间大约为150～200ms，与LCD显示器的16ms相比慢很多。要想提高电子纸的动态显示效果，提高其响应时间是当务之急。

    发展趋势二是单色显示向彩色显示发展。有可能采用的彩色技术是通过层叠彩色滤色器来实现，这在不久的将来就可以实现，如果能提高响应速度，则还能支持动态彩色图像显示，但以目前的技术水平实现起来还比较困难。

    发展趋势三是硬质显示向柔性显示发展。

    发展趋势四是从成本偏高向低生产成本发展。

    应用前景广阔

    纳米电子墨水显示技术应用于显示与展示方面，可以制作出轻便、灵巧、可适度弯曲折叠的显示屏。其图像稳定，耗电量极小，亮度高视角宽，使传统显示器无法解决的问题得到改善。在教学上使用“电笔”，就可以在电子纸上书写。当用电子纸做成教室内的“黑板”，再配上这种书写的“电笔”，则这块“黑板”就不仅可以随意书写，而且可随时显示诸如辞典、网络上的许多资料、信息等，且是图文并茂、生动活泼的动画图像。学生的书包也不用再鼓鼓的，只需装上一本电子教科书，随时下载信息，做笔记即可。

    纳米电子墨水显示技术用于电子报纸，可以利用房内的灯光作为它的能源，接收多种新闻、信息等，并且可以随时随地更新这些内容，这将是一份永远不会过时的报纸。电子图书可以根据书脊中电子芯片发出的指令对每一页进行重新排版。

    在其它方面，如用纳米电子墨水显示技术制备电子壁纸，这种壁纸可以根据人们的各种喜好、不同季节、不同时间、不同温度及各种活动内容，随时挑选设定并改变画面，使壁纸面貌常新。还可以在电子墨水微胶囊中放置香水，使散发的香味与壁纸所选图案所表达的意境一致。

    我国关于纳米电子墨水显示技术的研究刚刚起步，与美、欧、日等国家还不能相提并论。但有许多专家、企业家和商人十分关注它的发展和应用。

    纳米电子墨水显示的核心技术就是电子墨水技术。电子墨水是一种可以在基板上得到处理，以作为电子集成显示设备的新型专利材料，是结合化学、物理和电子学技术而开发出的一种新材料。电子墨水的主要成分是几百万个微米尺度的微胶囊，每一个微胶囊又包含了大量的微米或纳米尺度的电泳显色粒子。研究表明，显色粒子和电子墨水微胶囊的尺寸对纳米电子墨水显示器件的性能起着至关重要的作用，尺寸越小，纳米电子墨水显示器的分辨率越高、响应时间越短、对比度越大。