布萊頓大學(xué)最新研究：用3D打印表面圖案提升金納米沉積效率

2025年7月28日，南極熊獲悉，來(lái)自布萊頓大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變3D打印電極的表面圖案和尺度可以顯著影響金納米顆粒的沉積效果，展示了通過(guò)3D打印設(shè)計(jì)提升電極性能的實(shí)際可行性。

本研究由 Bhavik Anil Patel 博士領(lǐng)導(dǎo)，還探索了這些電極在傳感應(yīng)用中的有效性。研究?jī)?nèi)容以題為“Deposition of gold nanoparticles is varied by different scales ofvarious surface patterns on 3D printed electrodes”的論文發(fā)表在《Electrochimica Acta》上，重點(diǎn)研究了采用熔融長(zhǎng)絲制造 (FFF) 技術(shù)制成的電極。

在本研究中使用了由炭黑和聚乳酸 (CB/PLA) 制成的導(dǎo)電長(zhǎng)絲，購(gòu)自英國(guó)供應(yīng)商3DFilaPrint，并使用Flashforge Creator Pro 3D 打印機(jī)進(jìn)行打印。當(dāng)CB/PLA采用3D打印技術(shù)時(shí)，由于復(fù)合特性，所得電極往往具有較高的接觸電阻。這限制了它們的導(dǎo)電性能，并影響了電化學(xué)傳感性能。

增強(qiáng)這些電極性能的一種常見(jiàn)方法是在表面沉積金納米粒子。金納米粒子以其優(yōu)異的導(dǎo)電性、生物相容性以及與生物分子結(jié)合的能力而聞名。然而，這些電極表面特征的形狀和大小如何影響金的沉積和最終的傳感結(jié)果仍不清楚。

△不同尺寸的圖案化 3D 打印 CB/PLA 電極的設(shè)計(jì)和圖像。圖片來(lái)自布萊頓大學(xué)。

幾何形狀影響納米顆粒的擴(kuò)散和傳感能力

為了探究這一點(diǎn)，研究人員打印了六種不同的電極設(shè)計(jì)，每種電極的表面圖案各不相同：滾花、旋轉(zhuǎn)或直線，尺寸大小分別為小尺寸（0.8 毫米）和大尺寸（1.6 毫米）。然后，他們利用電沉積技術(shù)將金納米顆粒涂覆到這些電極表面。電沉積技術(shù)利用電流將溶液中的金涂覆到電極表面。

每個(gè)設(shè)計(jì)都使用多種工具進(jìn)行仔細(xì)分析，包括通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察金的分布、通過(guò)接觸角測(cè)量評(píng)估表面潤(rùn)濕性以及通過(guò)電化學(xué)測(cè)試評(píng)估傳感性能。

研究表明，電極表面的圖案和尺寸對(duì)金納米粒子在表面的沉積方式起著決定性的作用。尤其是大尺寸的滾花圖案，能夠促進(jìn)金納米粒子沿脊線和邊緣的密集沉積，從而提升傳感測(cè)試的性能。

與此同時(shí)，較小尺寸的旋轉(zhuǎn)圖案和直線圖案使金的分布更均勻，但厚度也更薄。有趣的是，在某些設(shè)計(jì)中，一旦金沉積下來(lái)，這些較小尺寸的圖案最終會(huì)比較大的圖案表現(xiàn)更好。結(jié)果表明，更平坦的表面可能提供更均勻的覆蓋，具體取決于圖案的幾何形狀。

接觸角測(cè)量進(jìn)一步證實(shí)了這些趨勢(shì)。金沉積后，大多數(shù)電極表面的親水性增強(qiáng)，在某些情況下接觸角顯著下降，這種變化通常會(huì)增強(qiáng)電化學(xué)活性。電化學(xué)阻抗譜證實(shí)了這種性能轉(zhuǎn)變，顯示圖案化電極間的電荷轉(zhuǎn)移阻力顯著降低，表明導(dǎo)電性有所提高。

為了了解這在實(shí)際環(huán)境中的表現(xiàn)，研究人員測(cè)試了他們性能最佳的設(shè)計(jì)——大型滾花電極，以檢測(cè)亞硝酸鹽的能力，亞硝酸鹽是一種與腸道相關(guān)的化合物，在消化過(guò)程中發(fā)揮作用，可以指示炎癥或疾病。

使用兩種不同年齡小鼠的糞便樣本，傳感器成功檢測(cè)到24月齡小鼠糞便樣本中的亞硝酸鹽含量顯著低于12月齡小鼠（p < 0.05），這與已知的年齡相關(guān)一氧化氮生成下降趨勢(shì)相一致。這項(xiàng)真實(shí)世界的驗(yàn)證不僅凸顯了3D打印電極技術(shù)的成功，也彰顯了健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的潛力。

綜上所述，研究結(jié)果表明，精心設(shè)計(jì)電極表面特征可以精確控制金納米顆粒的沉積，從而直接提升傳感器的靈敏度和可靠性。此外，利用便捷且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的3D打印方法，還可以定制特定用途的傳感器。

△圖案化CB/PLA電極表面的接觸角測(cè)量。圖片來(lái)自布萊頓大學(xué)。

用于傳感設(shè)備的3D打印電極

3D 打印技術(shù)的進(jìn)步使得生產(chǎn)用于傳感器應(yīng)用的高精度電極變得越來(lái)越簡(jiǎn)單。

早在 2021 年，麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員就開(kāi)發(fā)了一種新方法，使用嵌入電容式感應(yīng)電極的單片超材料 3D 打印交互式物體。設(shè)計(jì)采用柔性單元網(wǎng)格以及導(dǎo)電剪切單元，通過(guò)改變導(dǎo)電壁之間的距離來(lái)響應(yīng)物理變形，從而使物理結(jié)構(gòu)能夠檢測(cè)力、運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。

為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)引入了 MetaSense，這是一款定制的 CAD 工具，可以模擬變形并自動(dòng)優(yōu)化傳感器位置。這種方法實(shí)現(xiàn)了定制輸入設(shè)備的快速原型設(shè)計(jì)，并為智能環(huán)境（例如姿勢(shì)感應(yīng)家具）開(kāi)辟了可能性。

此外，南洋理工大學(xué)、布拉格化工大學(xué)和沙特國(guó)王大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了 3D 打印石墨烯/PLA 電極，用于檢測(cè)食品中的霉菌毒素玉米赤霉烯酮 (ZEA)。

電極在Autodesk Fusion 360中建模，使用 FDM 在Prusa i3 MK3上打印，并用 DMF 進(jìn)行化學(xué)預(yù)處理，以露出導(dǎo)電石墨烯層。與標(biāo)準(zhǔn) Ag/AgCl 電極相比，活化的石墨烯傳感器在 10 至 300 µM 的 ZEA 濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的線性響應(yīng) (r = 0.995)。研究團(tuán)隊(duì)展示了一種可行的低成本 3D 打印電化學(xué)食品安全裝置概念驗(yàn)證。