Nature子刊：中佛羅里達(dá)大學(xué)突破碳3D打印技術(shù)，室溫下生產(chǎn)碳微纖維和納米纖維

2025年4月27日，南極熊獲悉，來自中佛羅里達(dá)大學(xué)（UCF）科學(xué)學(xué)院和佛羅里達(dá)空間研究所的研究人員開發(fā)了一種使用低功率可見光和非金屬催化劑在室溫下進(jìn)行碳 3D 打印的簡便方法，在光電子和傳感應(yīng)用（包括與生物系統(tǒng)接口的應(yīng)用）方面具有巨大潛力。

中佛羅里達(dá)大學(xué)物理學(xué)教授泰塔德（Laurene Tetard）和中佛羅里達(dá)大學(xué)佛羅里達(dá)空間研究所研究教授布萊爾（Richard Blair）的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了如何在室溫下生產(chǎn)堅(jiān)固的碳微纖維和納米纖維，這可以通過他們開發(fā)的獨(dú)特 3D 打印工藝實(shí)現(xiàn)。

研究成果以題為“Room temperature 3D carbonmicroprinting”的論文發(fā)表在《自然通訊》雜志上，研究了硼基催化劑如何在光照下將碳?xì)浠衔锓纸獬蓺浜吞嫉冉M成元素。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47076-z

布萊爾表示，雖然碳打印很常見，但他們的團(tuán)隊(duì)意外地發(fā)現(xiàn)了一種足夠溫和的方法，可以將碳纖維打印到棉花等易損材料上。他說：“令人興奮的是，我們基本上是在室溫下3D打印碳結(jié)構(gòu)。以前也有人做過這種實(shí)驗(yàn)，但通常是在非常高的溫度下進(jìn)行的。我們能夠在低得多的溫度下進(jìn)行，甚至可以在織物等柔性材料上進(jìn)行?！?/div>

他表示，這并非團(tuán)隊(duì)最初的研究重點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)最初研究的是將丙烯轉(zhuǎn)化為丙烷的催化劑。通過用激光分析暴露在丙烯氣體中的催化劑表面，研究人員希望能夠深入了解所研究的反應(yīng)。

費(fèi)爾南德·托雷斯-達(dá)維拉（FernandTorres-Davila）是中佛羅里達(dá)大學(xué)的一名研究生，后來獲得了物理學(xué)博士學(xué)位。他在進(jìn)行光譜分析時(shí)，注意到激光下出現(xiàn)了黑點(diǎn)，最初以為是催化劑表面分解造成的。然而，進(jìn)一步研究后發(fā)現(xiàn)，這些痕跡實(shí)際上是催化劑表面吸附的丙烯分解形成的碳。布萊爾說：“我們意識到，沒有任何催化劑分解途徑能夠形成這些黑點(diǎn)。我們把氣體分解成氫和碳?！?/div>

合成是整個(gè)過程的關(guān)鍵。布萊爾說，在泰塔德的幫助和耐心幫助下，他們能夠用激光創(chuàng)造出三維碳結(jié)構(gòu)，類似于某些類型的3D打印機(jī)。他說：“我們當(dāng)時(shí)正在觀察氫元素，我的同事泰塔德博士注意到，當(dāng)她聚焦激光時(shí)，有趣的形狀正在形成。她把激光從表面向上移動，形狀就會隨著激光的移動而生長?！?/div>

泰塔德說道：“我們兩個(gè)團(tuán)隊(duì)在這項(xiàng)工作上密切合作。我的團(tuán)隊(duì)更側(cè)重于利用納米級成像和光譜工具進(jìn)行小規(guī)模操作和理解相關(guān)過程。這些工作與其他所有作者和貢獻(xiàn)者的努力相得益彰。每個(gè)人都以獨(dú)特的視角，介紹了這個(gè)利用3D打印技術(shù)進(jìn)行碳生長的特殊項(xiàng)目。催化對于實(shí)現(xiàn)社會所需的許多化學(xué)轉(zhuǎn)化至關(guān)重要。在當(dāng)今環(huán)境下，在不消耗大量能源的情況下生產(chǎn)碳至關(guān)重要。這種方法采用了Blair博士設(shè)計(jì)的一種催化劑，它能夠?qū)崿F(xiàn)一種新型催化過程，從而降低碳生長所需的能量。我們工作的成果之一是，3D打印碳結(jié)構(gòu)成為可能，為許多新的應(yīng)用打開了大門?！?/div>

布萊爾表示，除了發(fā)現(xiàn)可持續(xù)且有彈性的碳生長之外，人們還發(fā)現(xiàn)這些碳結(jié)構(gòu)具有導(dǎo)電性和生物相容性?！斑@些碳結(jié)構(gòu)可以與生物系統(tǒng)連接，而不會殺死它們，”他說道?！拔覀円呀?jīng)發(fā)現(xiàn)，用這些材料制成的電極可以插入活細(xì)胞，而不會導(dǎo)致細(xì)胞死亡。這使得人們能夠在體內(nèi)監(jiān)測細(xì)胞內(nèi)的電過程。它還可以實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)和生物系統(tǒng)之間的直接連接?！?/div>

泰塔德說道：“這個(gè)項(xiàng)目之所以令人著迷，是因?yàn)槲覀冇^察到了許多意想不到的過程。揭開所有細(xì)節(jié)充滿挑戰(zhàn)，但也收獲頗豐。我們?nèi)栽诶^續(xù)推進(jìn)這個(gè)項(xiàng)目，旨在展現(xiàn)碳生長過程中其他一些過程，并探索碳產(chǎn)物的性質(zhì)。如果沒有本科生和研究生的幫助，所有這些研究都不可能完成，他們是項(xiàng)目得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵?！?/div>