布萊頓大學最新研究：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，來自布萊頓大學的研究人員發(fā)現(xiàn)，通過改變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3D打印設計提升電極性能的實際可行性。

本研究由 Bhavik Anil Patel 博士領(lǐng)導，還探索了這些電極在傳感應用中的有效性。研究內(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，重點研究了采用熔融長絲制造 (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) 制成的導電長絲，購自英國供應商3DFilaPrint，并使用Flashforge Creator Pro 3D 打印機進行打印。當CB/PLA采用3D打印技術(shù)時，由于復合特性，所得電極往往具有較高的接觸電阻。這限制了它們的導電性能，并影響了電化學傳感性能。

增強這些電極性能的一種常見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 電極的設計和圖像。圖片來自布萊頓大學。

幾何形狀影響納米顆粒的擴散和傳感能力

為了探究這一點，研究人員打印了六種不同的電極設計，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。

每個設計都使用多種工具進行仔細分析，包括通過掃描電子顯微鏡觀察金的分布、通過接觸角測量評估表面潤濕性以及通過電化學測試評估傳感性能。

研究表明，電極表面的圖案和尺寸對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，能夠促進金納米粒子沿脊線和邊緣的密集沉積，從而提升傳感測試的性能。

與此同時，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，在某些設計中，一旦金沉積下來，這些較小尺寸的圖案最終會比較大的圖案表現(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。

接觸角測量進一步證實了這些趨勢。金沉積后，大多數(shù)電極表面的親水性增強，在某些情況下接觸角顯著下降，這種變化通常會增強電化學活性。電化學阻抗譜證實了這種性能轉(zhuǎn)變，顯示圖案化電極間的電荷轉(zhuǎn)移阻力顯著降低，表明導電性有所提高。

為了了解這在實際環(huán)境中的表現(xiàn)，研究人員測試了他們性能最佳的設計——大型滾花電極，以檢測亞硝酸鹽的能力，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相一致。這項真實世界的驗證不僅凸顯了3D打印電極技術(shù)的成功，也彰顯了健康監(jiān)測領(lǐng)域應用的潛力。

綜上所述，研究結(jié)果表明，精心設計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)濟實惠的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量。圖片來自布萊頓大學。

用于傳感設備的3D打印電極

3D 打印技術(shù)的進步使得生產(chǎn)用于傳感器應用的高精度電極變得越來越簡單。

早在 2021 年，麻省理工學院(MIT)的研究人員就開發(fā)了一種新方法，使用嵌入電容式感應電極的單片超材料 3D 打印交互式物體。設計采用柔性單元網(wǎng)格以及導電剪切單元，通過改變導電壁之間的距離來響應物理變形，從而使物理結(jié)構(gòu)能夠檢測力、運動和旋轉(zhuǎn)。

為了簡化設計，團隊引入了 MetaSense，這是一款定制的 CAD 工具，可以模擬變形并自動優(yōu)化傳感器位置。這種方法實現(xiàn)了定制輸入設備的快速原型設計，并為智能環(huán)境（例如姿勢感應家具）開辟了可能性。

此外，南洋理工大學、布拉格化工大學和沙特國王大學的研究人員設計了 3D 打印石墨烯/PLA 電極，用于檢測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 進行化學預處理，以露出導電石墨烯層。與標準 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 (r = 0.995)。研究團隊展示了一種可行的低成本 3D 打印電化學食品安全裝置概念驗證。