中佛羅里達(dá)大學(xué)室溫下成功制造高強(qiáng)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(dá)大學(xué)（UCF）宣稱與佛羅里達(dá)空間研究所（FSI）的研究人員合作，成功開發(fā)出一種獨(dú)特的3D打印工藝，可在室溫條件下制造出高強(qiáng)度碳微纖維與納米纖維。這一技術(shù)打破了傳統(tǒng)碳打印對高溫環(huán)境的依賴，首次實(shí)現(xiàn)了在棉花等易損材料表面直接打印碳結(jié)構(gòu)。

△相關(guān)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(xiàng)研究由中佛羅里達(dá)大學(xué)物理學(xué)教授Laurene Tetard與佛羅里達(dá)空間研究所研究教授Richard Blair共同領(lǐng)導(dǎo)。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(yīng)柔性材料，為紡織品、電子皮膚和生物醫(yī)療器件等領(lǐng)域打開了新的應(yīng)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(qiáng)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(dǎo)電性和生物相容性

研究人員表示，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)源于團(tuán)隊(duì)最初針對丙烯轉(zhuǎn)化為丙烷催化反應(yīng)機(jī)制的基礎(chǔ)研究。通過對暴露在丙烯氣體中的硼基催化劑進(jìn)行激光光譜分析，團(tuán)隊(duì)成員Fernand Torres-Davila注意到催化劑表面出現(xiàn)異常黑點(diǎn)。進(jìn)一步分析后確認(rèn)，這些黑點(diǎn)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(yīng)路徑的偶然發(fā)現(xiàn)，為低能耗、高精度的3D碳打印技術(shù)奠定了基礎(chǔ)�！�

△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(dǎo)下的3D碳結(jié)構(gòu)打印

合作是整個研究過程的關(guān)鍵因素。中佛羅里達(dá)大學(xué)研究教授Richard Blair表示，在物理學(xué)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(shù)。

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。“當(dāng)她將激光從材料表面向上移動時，碳結(jié)構(gòu)便隨著激光軌跡逐漸生長，就像在進(jìn)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(bǔ)充道：“兩個團(tuán)隊(duì)在本項(xiàng)目中緊密合作。我的團(tuán)隊(duì)專注于利用納米級成像和光譜技術(shù)進(jìn)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(xiàng)目注入了新的見解。正是這種跨學(xué)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(shù)在實(shí)現(xiàn)低能耗化學(xué)轉(zhuǎn)化中具有至關(guān)重要的作用，尤其是在當(dāng)前全球強(qiáng)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(xiàng)目采用了Blair博士設(shè)計的創(chuàng)新催化劑，在溫和條件下即可實(shí)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(yīng)用領(lǐng)域帶來可能�！�

△碳微結(jié)構(gòu)的光學(xué)和電學(xué)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(tuán)隊(duì)還意外發(fā)現(xiàn)，這些碳結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的導(dǎo)電性與生物相容性。Blair進(jìn)一步解釋：“我們已經(jīng)驗(yàn)證，這些碳材料制成的電極可以插入活細(xì)胞而不會引發(fā)細(xì)胞死亡，這使得實(shí)時監(jiān)測細(xì)胞內(nèi)部電信號成為可能，同時也為實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備與生物系統(tǒng)的無縫集成提供了可能性。”

研究團(tuán)隊(duì)表示，這項(xiàng)技術(shù)有望推動3D打印在能源存儲、生物醫(yī)學(xué)植入體、柔性電子器件和高性能紡織品等多個領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。目前，團(tuán)隊(duì)正進(jìn)一步探索該技術(shù)在工業(yè)化生產(chǎn)中的可擴(kuò)展性與商業(yè)化潛力。