在美国宇航局的微重力飞行中，研究人员以及一个玩具“旋风”测试了他们的纳米墨水和打印机技术。从左至右依次为：刘飞、黄艳华、马修·马兰德、蒋学鹏和帕维亚特拉·普雷马拉特纳。更大的照片。图片由单江提供。
艾姆斯，爱荷华州——爱荷华州立大学的一名工程师漂浮在空中，而其他研究人员紧紧地挂在一个金属框架周围，支撑着他们的特殊打印机。
（一个打扮成宇航员的“旋风”玩具吉祥物也漂浮在忙碌的研究人员的头顶上。）
这不是你在研究论文中看到的普通照片。在微重力飞行中进行的测试也不是典型的材料实验。
当爱荷华州立大学材料科学与工程副教授姜山（Shan Jiang）和前爱荷华州立大学工业与系统工程助理教授秦汉唐（Hantang Qin）领导的研究小组想知道他们的墨水和打印机技术是否能在零重力的太空中工作时，这些实验就开始了。
这种墨水的特点是用生物基聚合物合成的银纳米颗粒。经过热处理后，油墨可以导电，因此可以印刷电路。该打印机使用电流体动力打印技术，即在电场下以百万分之一米的分辨率喷射墨水的3D打印技术。电场可以消除重力帮助沉积墨水的需要。
如果这些技术能在零重力下协同工作，宇航员就可以用它们来制造航天器或设备维修的电路。宇航员可能会在太空特殊的零重力环境中制造高价值的电子元件。
美国宇航局想知道它是否也能起作用。
潜入微重力
研究人员将打印机固定在一架喷气式飞机的地板上，并为“过山车”做准备，Jiang说。
美国宇航局的飞机将不断爬升和俯冲，在佛罗里达州上空从大约24,000英尺到32,000英尺，然后再回到24,000英尺。潜水阶段产生了大约10秒的纯零重力状态。
“这是令人兴奋的和新的，”江说。
晕动病对一些人来说是个问题。其他人则享受着这种刺激。第一次体验微重力时，江感到“僵住了”。“我脑子一片空白。”
但这并没有持续多久：“这个项目投入了太多的时间和投资。我们希望取得好的结果。”
但是在微重力飞行中一次打印几秒钟“是一个非常具有挑战性的实验，”江说。“在地面上一切都很稳定，这很容易。但如果在飞行过程中有任何东西松动，你就会失去打印。”
第一次微重力飞行就是一个很好的例子。打印机没有足够的保护来抵御飞机的摇晃和振动。
他说：“这些都是高强度的实验，需要大量的团队合作和准备。”
所以，团队重新开始工作，做了一些改变，进行了更多的测试飞行，产生了更好的结果。
研究人员在发表在《美国化学学会应用材料与界面》杂志上的一篇论文中写道：“这个概念验证微重力实验证明了在零重力条件下（电流体动力）打印的独特能力，并为未来的太空按需制造开辟了一个新的场所。”（参见侧栏中的作者列表。）
制造一种新型纳米墨水
蒋的研究小组的关键创新是开发了一种新的实验室方法来合成含有纳米银的墨水。
他说：“这是一种新的材料组合，所以我们需要一种新的配方来制造这种墨水。”
来自美国宇航局爱荷华州空间资助联盟和美国宇航局爱荷华州建立的刺激竞争性研究计划的资助支持了该项目。
这两个项目都“努力支持爱荷华州的创新和领先研究，”项目主任、爱荷华州立大学航空航天工程兼职助理教授萨拉·纳尔逊（Sara Nelson）说。“我们很高兴能支持江博士的研究。他的工作帮助建立了爱荷华州的研究基础设施，是美国宇航局战略任务的重要组成部分。”
该项目还利用了爱荷华州丰富的植物生物量资源。
这种墨水含有一种叫做2-羟乙基纤维素的生物基聚合物，通常用作增稠剂。但它也是一种具有成本效益，生物相容性，多功能和稳定的材料，用于电场下高分辨率喷墨打印所需的油墨。
“爱荷华州有很多生物质，”江说。“所以，我们一直在尝试使用这些生物基分子。它们是一种奇妙的聚合物，可以为我们完成所有的任务。”
Jiang称这是“这项研究最大的惊喜”。我们以前不知道。现在我们知道我们可以用这些生物基聚合物做什么了。”
爱荷华州立大学研究基金会已经为这种新型纳米墨水申请了专利，目前这项技术正在申请许可。
他说：“这次成功仅仅是个开始。“随着人类探索太空的深入，在轨道上按需制造电子产品的需求不再是科幻小说；这是必须的。”
研究人员的下一步可能是开发其他电子元件（如半导体）的3D空间打印技术。
毕竟，江说：“你不能只制造一个部件，就组装成一个电子设备。”
