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(lái)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(jiǎn)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(guò)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�合物分解成氫和碳等組成元素,。

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(shuō)：“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(guò)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,�,！�

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(guò)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(lái)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(shuō)：“我們意識(shí)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�,！�

合成是整個(gè)過(guò)程的關(guān)鍵,。布萊爾說(shuō)，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(shuō)：“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(dòng),，形狀就會(huì)隨著激光的移動(dòng)而生長(zhǎng),�,！�

泰塔德說(shuō)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(jí)成像和光譜工具進(jìn)行小規(guī)模操作和理解相關(guān)過(guò)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(zhǎng)的特殊項(xiàng)目。催化對(duì)于實(shí)現(xiàn)社會(huì)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(guò)程,，從而降低碳生長(zhǎng)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�,！�

布萊爾表示,，除了發(fā)現(xiàn)可持續(xù)且有彈性的碳生長(zhǎng)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(huì)殺死它們,，”他說(shuō)道,。“我們已經(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(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡。這使得人們能夠在體內(nèi)監(jiān)測(cè)細(xì)胞內(nèi)的電過(guò)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,。”

泰塔德說(shuō)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(guò)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(zhǎng)過(guò)程中其他一些過(guò)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,�,！�