中佛罗里达大学室温下成功制造高强度碳微纤维与纳米纤维

2025年4月27日，南极熊获悉，中佛罗里达大学（UCF）宣称与佛罗里达空间研究所（FSI）的研究人员合作，成功开发出一种独特的3D打印工艺，可在室温条件下制造出高强度碳微纤维与纳米纤维。这一技术打破了传统碳打印对高温环境的依赖，首次实现了在棉花等易损材料表面直接打印碳结构。

△相关研究已发表在《自然通讯》期刊上，题目为“室温3D碳微型打印”（传送门）

这项研究由中佛罗里达大学物理学教授Laurene Tetard与佛罗里达空间研究所研究教授Richard Blair共同领导。Blair教授表示：“令人振奋的是，我们基本上在室温下完成了3D碳结构的打印。过去的碳打印通常需要极高温度，而我们的方法不仅温和得多，还能适应柔性材料，为纺织品、电子皮肤和生物医疗器件等领域打开了新的应用前景。”

△研究人员利用缺陷工程氮化硼（dh-BN）作为催化剂，成功在柔性基底上直接生长出高强度碳微纤维与纳米纤维。打印出的材料主体为碳结构，具有优异的导电性和生物相容性

研究人员表示，这项发现源于团队最初针对丙烯转化为丙烷催化反应机制的基础研究。通过对暴露在丙烯气体中的硼基催化剂进行激光光谱分析，团队成员Fernand Torres-Davila注意到催化剂表面出现异常黑点。进一步分析后确认，这些黑点并非催化剂本身分解所致，而是光照条件下丙烯分解产生的碳沉积。

Blair教授指出：“我们发现，通过催化剂在光照下分解气体，我们能够直接生成氢气和高纯度的碳材料。这一反应路径的偶然发现，为低能耗、高精度的3D碳打印技术奠定了基础。”

△在松散缺陷工程六方氮化硼（dh -BN）粉末上低能量生长碳微棒

激光引导下的3D碳结构打印

合作是整个研究过程的关键因素。中佛罗里达大学研究教授Richard Blair表示，在物理学教授Laurene Tetard的耐心协助下，他们得以利用激光生成3D碳结构，过程类似于某些类型的3D打印技术。

研究人员在用激光观察氢元素时，发现表面出现了有趣的结构。Blair回忆道。“当她将激光从材料表面向上移动时，碳结构便随着激光轨迹逐渐生长，就像在进行3D打印。”

△生长条件对碳微结构和阵列形貌的影响

Tetard补充道：“两个团队在本项目中紧密合作。我的团队专注于利用纳米级成像和光谱技术进行小尺度操作与过程理解，同时其他合作者从各自专业角度为项目注入了新的见解。正是这种跨学科协作，使我们得以开发出基于3D打印的碳生长方法。”

催化技术在实现低能耗化学转化中具有至关重要的作用，尤其是在当前全球强调可持续制造的背景下。她指出：“传统碳材料的制备通常需要高温和高能耗，而本项目采用了Blair博士设计的创新催化剂，在温和条件下即可实现碳生长。由此，不仅降低了能源消耗，还为3D打印功能性碳结构开辟了全新路径，为多个应用领域带来可能。”

△碳微结构的光学和电学特性

除了开发出一种可持续、富有弹性的碳生长方法外，团队还意外发现，这些碳结构具有优异的导电性与生物相容性。Blair进一步解释：“我们已经验证，这些碳材料制成的电极可以插入活细胞而不会引发细胞死亡，这使得实时监测细胞内部电信号成为可能，同时也为实现电子设备与生物系统的无缝集成提供了可能性。”

研究团队表示，这项技术有望推动3D打印在能源存储、生物医学植入体、柔性电子器件和高性能纺织品等多个领域的实际应用。目前，团队正进一步探索该技术在工业化生产中的可扩展性与商业化潜力。