Nature子刊：中佛罗里达大学突破碳3D打印技术，室温下生产碳微纤维和纳米纤维

2025年4月27日，南极熊获悉，来自中佛罗里达大学（UCF）科学学院和佛罗里达空间研究所的研究人员开发了一种使用低功率可见光和非金属催化剂在室温下进行碳 3D 打印的简便方法，在光电子和传感应用（包括与生物系统接口的应用）方面具有巨大潜力。

中佛罗里达大学物理学教授泰塔德（Laurene Tetard）和中佛罗里达大学佛罗里达空间研究所研究教授布莱尔（Richard Blair）的研究团队发现了如何在室温下生产坚固的碳微纤维和纳米纤维，这可以通过他们开发的独特 3D 打印工艺实现。

研究成果以题为“Room temperature 3D carbonmicroprinting”的论文发表在《自然通讯》杂志上，研究了硼基催化剂如何在光照下将碳氢化合物分解成氢和碳等组成元素。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47076-z

布莱尔表示，虽然碳打印很常见，但他们的团队意外地发现了一种足够温和的方法，可以将碳纤维打印到棉花等易损材料上。他说：“令人兴奋的是，我们基本上是在室温下3D打印碳结构。以前也有人做过这种实验，但通常是在非常高的温度下进行的。我们能够在低得多的温度下进行，甚至可以在织物等柔性材料上进行。”

他表示，这并非团队最初的研究重点，研究团队最初研究的是将丙烯转化为丙烷的催化剂。通过用激光分析暴露在丙烯气体中的催化剂表面，研究人员希望能够深入了解所研究的反应。

费尔南德·托雷斯-达维拉（FernandTorres-Davila）是中佛罗里达大学的一名研究生，后来获得了物理学博士学位。他在进行光谱分析时，注意到激光下出现了黑点，最初以为是催化剂表面分解造成的。然而，进一步研究后发现，这些痕迹实际上是催化剂表面吸附的丙烯分解形成的碳。布莱尔说：“我们意识到，没有任何催化剂分解途径能够形成这些黑点。我们把气体分解成氢和碳。”

合成是整个过程的关键。布莱尔说，在泰塔德的帮助和耐心帮助下，他们能够用激光创造出三维碳结构，类似于某些类型的3D打印机。他说：“我们当时正在观察氢元素，我的同事泰塔德博士注意到，当她聚焦激光时，有趣的形状正在形成。她把激光从表面向上移动，形状就会随着激光的移动而生长。”

泰塔德说道：“我们两个团队在这项工作上密切合作。我的团队更侧重于利用纳米级成像和光谱工具进行小规模操作和理解相关过程。这些工作与其他所有作者和贡献者的努力相得益彰。每个人都以独特的视角，介绍了这个利用3D打印技术进行碳生长的特殊项目。催化对于实现社会所需的许多化学转化至关重要。在当今环境下，在不消耗大量能源的情况下生产碳至关重要。这种方法采用了Blair博士设计的一种催化剂，它能够实现一种新型催化过程，从而降低碳生长所需的能量。我们工作的成果之一是，3D打印碳结构成为可能，为许多新的应用打开了大门。”

布莱尔表示，除了发现可持续且有弹性的碳生长之外，人们还发现这些碳结构具有导电性和生物相容性。“这些碳结构可以与生物系统连接，而不会杀死它们，”他说道。“我们已经发现，用这些材料制成的电极可以插入活细胞，而不会导致细胞死亡。这使得人们能够在体内监测细胞内的电过程。它还可以实现电子系统和生物系统之间的直接连接。”

泰塔德说道：“这个项目之所以令人着迷，是因为我们观察到了许多意想不到的过程。揭开所有细节充满挑战，但也收获颇丰。我们仍在继续推进这个项目，旨在展现碳生长过程中其他一些过程，并探索碳产物的性质。如果没有本科生和研究生的帮助，所有这些研究都不可能完成，他们是项目得以实现的关键。”