中佛羅里達大學室溫下成功制造高強度碳微纖維與納米纖維

2025年4月27日，南極熊獲悉，中佛羅里達大學（UCF）宣稱與佛羅里達空間研究所（FSI）的研究人員合作，成功開發(fā)出一種獨特的3D打印工藝，可在室溫條件下制造出高強度碳微纖維與納米纖維。這一技術打破了傳統(tǒng)碳打印對高溫環(huán)境的依賴，首次實現(xiàn)了在棉花等易損材料表面直接打印碳結(jié)構(gòu)。

△相關研究已發(fā)表在《自然通訊》期刊上，題目為“室溫3D碳微型打印”（傳送門）

這項研究由中佛羅里達大學物理學教授Laurene Tetard與佛羅里達空間研究所研究教授Richard Blair共同領導。Blair教授表示：“令人振奮的是，我們基本上在室溫下完成了3D碳結(jié)構(gòu)的打印。過去的碳打印通常需要極高溫度，而我們的方法不僅溫和得多，還能適應柔性材料，為紡織品、電子皮膚和生物醫(yī)療器件等領域打開了新的應用前景�！�

△研究人員利用缺陷工程氮化硼（dh-BN）作為催化劑，成功在柔性基底上直接生長出高強度碳微纖維與納米纖維。打印出的材料主體為碳結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的導電性和生物相容性

研究人員表示，這項發(fā)現(xiàn)源于團隊最初針對丙烯轉(zhuǎn)化為丙烷催化反應機制的基礎研究。通過對暴露在丙烯氣體中的硼基催化劑進行激光光譜分析，團隊成員Fernand Torres-Davila注意到催化劑表面出現(xiàn)異常黑點。進一步分析后確認，這些黑點并非催化劑本身分解所致，而是光照條件下丙烯分解產(chǎn)生的碳沉積。

Blair教授指出：“我們發(fā)現(xiàn)，通過催化劑在光照下分解氣體，我們能夠直接生成氫氣和高純度的碳材料。這一反應路徑的偶然發(fā)現(xiàn)，為低能耗、高精度的3D碳打印技術奠定了基礎�！�

△在松散缺陷工程六方氮化硼（dh -BN）粉末上低能量生長碳微棒

激光引導下的3D碳結(jié)構(gòu)打印

合作是整個研究過程的關鍵因素。中佛羅里達大學研究教授Richard Blair表示，在物理學教授Laurene Tetard的耐心協(xié)助下，他們得以利用激光生成3D碳結(jié)構(gòu)，過程類似于某些類型的3D打印技術。

研究人員在用激光觀察氫元素時，發(fā)現(xiàn)表面出現(xiàn)了有趣的結(jié)構(gòu)。Blair回憶道�！爱斔龑⒓す鈴牟牧媳砻嫦蛏弦苿訒r，碳結(jié)構(gòu)便隨著激光軌跡逐漸生長，就像在進行3D打印�！�

△生長條件對碳微結(jié)構(gòu)和陣列形貌的影響

Tetard補充道：“兩個團隊在本項目中緊密合作。我的團隊專注于利用納米級成像和光譜技術進行小尺度操作與過程理解，同時其他合作者從各自專業(yè)角度為項目注入了新的見解。正是這種跨學科協(xié)作，使我們得以開發(fā)出基于3D打印的碳生長方法�！�

催化技術在實現(xiàn)低能耗化學轉(zhuǎn)化中具有至關重要的作用，尤其是在當前全球強調(diào)可持續(xù)制造的背景下。她指出：“傳統(tǒng)碳材料的制備通常需要高溫和高能耗，而本項目采用了Blair博士設計的創(chuàng)新催化劑，在溫和條件下即可實現(xiàn)碳生長。由此，不僅降低了能源消耗，還為3D打印功能性碳結(jié)構(gòu)開辟了全新路徑，為多個應用領域帶來可能�！�

△碳微結(jié)構(gòu)的光學和電學特性

除了開發(fā)出一種可持續(xù)、富有彈性的碳生長方法外，團隊還意外發(fā)現(xiàn)，這些碳結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的導電性與生物相容性。Blair進一步解釋：“我們已經(jīng)驗證，這些碳材料制成的電極可以插入活細胞而不會引發(fā)細胞死亡，這使得實時監(jiān)測細胞內(nèi)部電信號成為可能，同時也為實現(xiàn)電子設備與生物系統(tǒng)的無縫集成提供了可能性。”

研究團隊表示，這項技術有望推動3D打印在能源存儲、生物醫(yī)學植入體、柔性電子器件和高性能紡織品等多個領域的實際應用。目前，團隊正進一步探索該技術在工業(yè)化生產(chǎn)中的可擴展性與商業(yè)化潛力。