碳材料在儲能、熱管理、電子設備、生物工程、高性能複合材料等眾多領域扮演著重要的「角色」。但實際上長期以來，碳材料的加工之路卻因其熔點過高等原因一直「困難重重」。
雖然碳纖維、石墨烯、碳納米管等高性能的碳材料功能性強，但它們仍不能作為材料主體被應用。在大多數時，只能作為添加劑或增強性材料被共混在高分子中進行加工。這會導致碳材料的優秀的導熱、導電性能被「浪費」。
科學家們曾嘗試各種辦法嘗試解決碳材料製備的難題，例如通過聚丙烯腈或其他高分子材料製備碳纖維。但是，碳材料製造以及高分子的前驅體的選擇仍然非常受限。
最近，美國南密西西比大學助理教授強哲課題組開發了一種簡單、可擴展的方法，首次實現可量產化製備 3D 宏觀結構碳材料。他們從高分子的製備角度出發，通過 3D 列印一種常見的高分子聚丙烯（polypropylene ，PP），然後把它進行特殊的交聯，成功地將 PP 轉變成構型和機械性能良好的碳材料。
值得關注的是，由於碳材料具備良好的電熱性能和力學性能，通過 3D 列印將塑料變成碳的工藝，可實現高效的電熱轉換，有望解決傳統工業中高能耗的問題，甚至解決塑料垃圾可回收的問題。
審稿人指出，該研究極具創造力，其中的部分實驗結果甚至有些不可思議。用簡單的方法和最普及的塑料實現對碳材料的三維結構控制，該技術會對多個應用領域起到深遠的影響。
近日，相關論文以《商品聚丙烯用於 3D 列印碳增材製造》（Additive Manufacturing of Carbon using Commodity Polypropylene）為題發表在 Advanced Materials 上[1]。
南密西西比大學博士研究生保羅·史密斯（Paul Smith）為該論文的第一作者，助理教授強哲為論文通訊作者。
實現 3D 宏觀結構的按需碳製造
長期以來，塑料成為白色污染的源頭，並以微塑料等方式入侵到海洋、生態系統等。因此很多時候，塑料不得不和「垃圾」聯繫在一起。
強哲課題組自成立以來，就以做可持續性的塑料閉環研究為主旨，他們希望通過技術賦能，使塑料垃圾「變廢為寶」，將最便宜、最基礎的塑料「升值」成為複雜的高性能材料，來解決環境的棘手問題。
此前，該團隊在將塑料轉化成碳材料方面進行過相關探索。在與新冠疫情相關的一項研究中，他們曾探索過將高分子纖維材料變成碳纖維的方法。研究人員發現，在將口罩變成碳纖維後，因為誘導反應，在經過 1000 攝氏度的高溫後，高分子的宏觀結構仍可被保留，其大致外形未並發生明顯的變化。
受此啟發強哲聯想到，如果不局限於口罩，而是在三維宏觀構型的碳材料上進行嘗試，是不是也可以將整體形狀保留？
但是，如何製備三維宏觀構型的碳材料成為關鍵性難題，此前並沒有相關文獻作為參照。近年來隨著 3D 列印技術的發展，通過 3D 列印可實現金屬材料的列印。強哲繼續提出，何不嘗試通過 3D 列印塑料，然後再將塑料變成碳材料呢？
這是一種大膽的創新，這個思路在最初提出時，課題組成員都認為難以實現。因為在傳統行業里，磺化交聯聚烯烴手段不能用於大規模大尺度的高分子產品。強哲表示：「讓我印象深刻的是，我們居然在第一次嘗試時就成功了，而該結果和以往文獻呈現的結果截然相反。最重要的是，材料的各方面功能性很強，這讓我們非常激動。」
顯然，這種現象並不尋常，因此該團隊又花了很長時間探索相關機理，發現這種「反常」現象的背後有很深的學問。在研究機理的過程中，該團隊還發現了一些比較有意思的誘導反應，正是這些誘導反應讓高分子產生了裂縫，進而實現交聯。
「我們的這些實驗結果具有高重複性的原因在於，我們不僅做成了這種材料，並且更重要是知道它為何會實現。」強哲說。
為塑料賦能，有望在 1-3 年落地應用
該團隊通過為塑料賦能，希望解決塑料垃圾污染、環境污染等多領域的可持續性問題。他們從系統設計上，儘量選擇比較低耗的材料和比較簡單的方法，希望該技術未來被學術界及工業界廣泛地應用。
並且，聚丙烯前驅體價格低、易獲得。特別是低成本，是該技術未來產業化發展的必備條件。據團隊預估，3D 列印的塑料的價格大概在十幾元每噸，市場上的 3D 印表機約一兩千元。
強哲表示：「我們的碳化工藝可與傳統的碳材料製造『無縫銜接』，因此不需要建設新的產業鏈來適應該工藝。用一種低成本、精緻的材料製備方法做別人從來沒有做過甚至沒有想過的技術，讓我們團隊感到非常興奮和自豪。」
那麼，這種現量產化製備 3D 結構碳材料的工藝可能應用在哪些領域呢？強哲認為，該技術最有可能應用在解決晶片領域的散熱問題。
隨著超級計算機的「火熱」，其大量的耗能、耗熱等問題也接踵而來。傳統的散熱晶片較重、散熱效率較低。與之對比的是，碳材料的散熱效率高，並且通過三維結構的設置可以讓散熱達到最高的效率。
另一方面，全球大部分國家紛紛制定戰略，將在 2050 年達到碳中和、碳達峰。強哲表示，如果通過低能耗的工業生產，將更有利於幫助世界各國、各個領域的工業技術達到更好的碳中和效果。
因此，該技術的另一個可能的應用場景是，將工業化程序從普通加熱變成電加熱，以大量地減少能耗，符合「碳中和」規劃和環境的可持續發展。
「此外，該技術在生物醫用、水處理等領域也具有應用潛力。」強哲補充說道。
據了解，目前該團隊已與相關公司合作進行應用轉化以及商業化，並有望在 1 至 3 年內落地應用。「用科學技術去解決社會的實際難題非常有意義，也給了我們很大動力。我們正在推進通過碳材料進行碳捕捉、碳轉化的相關進程，致力於把二氧化碳轉為有用的能源。」他說。
計劃將工藝做得更加精細化
強哲從東華大學材料科學與工程系本科畢業後，來到美國阿克倫大學的高分子工程系完成了碩士和博士階段的學習。隨著對科研的深入接觸，他逐漸找到了解決科研問題的樂趣。
之後，他在美國西北大學化學與生物工程系進行了為期三年的博後研究。2019 年，他加入南密西西比大學高分子科學與工程系擔任助理教授。
強哲回憶道：「在人生的每個階段，我都有幸遇見優秀的導師。他們的言傳身教讓我深有啟發並受益匪淺，也成為了我學習和進步的榜樣。比如我的博導曾和我說過，『當你學會了如何鑽研一個我還並不了解的領域時，你就可以畢業了』。」他認為，讀博不僅僅是要去解決某些課題，更重要去探索自己的潛能和天賦。因此，他經常鼓勵他的學生們要敢想、敢做、勇於創新。
身份的變化也帶來了「使命」的轉變，「我發現在成為博士生導師後，我有了一個更好的科研和教育平台，也更需要去發現問題以及判斷技術的未來發展。」強哲說。
該課題組通過科學的方法為垃圾塑料「賦能」開展了系列研究，將其轉變為碳捕捉、水處理以及電熱的碳材料。
課題組發明的科技有著重要商業價值以及可能創造深遠影響。他表示，除了自己的成就，當看到學生們通過努力得到美國能源部、美國科學協會等榮譽和獎項，也是課題組的另一個「榮耀時刻」。
對強哲來說，未來最想攻克的科學難題是，在傳統工藝改進條件下，通過材料性能的突破加速塑料領域實現碳中和發展。但他同時也指出，企業實現環境的可持續發展的同時，不能忽視的另一個重要的問題是經濟的可持續發展。
因此，該課題組研究的方向是用最少的成本，去做最好的碳捕捉優化。「我們不能只談環境不談經濟和利潤。對於企業來說，需要達到一個環境和經濟的平衡點，這也是我們課題組現在主要關注的研究方向和目標。」他說。
對於該研究的後續計劃，強哲希望不局限於製備碳材料，也可以運用塑料的概念做任何的物質材料製備。因此，下一步他們計劃將該工藝做得更加精細化。
參考資料：
1.Paul Smith et al. Advanced Materials(2023). https://doi.org/10.1002/adma.202208029