Nature子刊：中佛羅里達大學突破碳3D打印技術，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，來自中佛羅里達大學（UCF）科學學院和佛羅里達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行碳 3D 打印的簡便方法，在光電子和傳感應用（包括與生物系統(tǒng)接口的應用）方面具有巨大潛力。

中佛羅里達大學物理學教授泰塔德（Laurene Tetard）和中佛羅里達大學佛羅里達空間研究所研究教授布萊爾（Richard Blair）的研究團隊發(fā)現(xiàn)了如何在室溫下生產(chǎn)堅固的碳微纖維和納米纖維，這可以通過他們開發(fā)的獨特 3D 打印工藝實現(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氫化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，但他們的團隊意外地發(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打印碳結構。以前也有人做過這種實驗，但通常是在非常高的溫度下進行的。我們能夠在低得多的溫度下進行，甚至可以在織物等柔性材料上進行�！�

他表示，這并非團隊最初的研究重點，研究團隊最初研究的是將丙烯轉化為丙烷的催化劑。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。

費爾南德·托雷斯-達維拉（FernandTorres-Davila）是中佛羅里達大學的一名研究生，后來獲得了物理學博士學位。他在進行光譜分析時，注意到激光下出現(xiàn)了黑點，最初以為是催化劑表面分解造成的。然而，進一步研究后發(fā)現(xiàn)，這些痕跡實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。我們把氣體分解成氫和碳。”

合成是整個過程的關鍵。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)造出三維碳結構，類似于某些類型的3D打印機。他說：“我們當時正在觀察氫元素，我的同事泰塔德博士注意到，當她聚焦激光時，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�！�

泰塔德說道：“我們兩個團隊在這項工作上密切合作。我的團隊更側重于利用納米級成像和光譜工具進行小規(guī)模操作和理解相關過程。這些工作與其他所有作者和貢獻者的努力相得益彰。每個人都以獨特的視角，介紹了這個利用3D打印技術進行碳生長的特殊項目。催化對于實現(xiàn)社會所需的許多化學轉化至關重要。在當今環(huán)境下，在不消耗大量能源的情況下生產(chǎn)碳至關重要。這種方法采用了Blair博士設計的一種催化劑，它能夠實現(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打印碳結構成為可能，為許多新的應用打開了大門�！�

布萊爾表示，除了發(fā)現(xiàn)可持續(xù)且有彈性的碳生長之外，人們還發(fā)現(xiàn)這些碳結構具有導電性和生物相容性。“這些碳結構可以與生物系統(tǒng)連接，而不會殺死它們，”他說道。“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胞，而不會導致細胞死亡。這使得人們能夠在體內(nèi)監(jiān)測細胞內(nèi)的電過程。它還可以實現(xiàn)電子系統(tǒng)和生物系統(tǒng)之間的直接連接�！�

泰塔德說道：“這個項目之所以令人著迷，是因為我們觀察到了許多意想不到的過程。揭開所有細節(jié)充滿挑戰(zhàn)，但也收獲頗豐。我們?nèi)栽诶^續(xù)推進這個項目，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，他們是項目得以實現(xiàn)的關鍵。”