Węgiel ma wiele alotropów i, w zależności od konkretnego zastosowania, można wybrać jeden z następujących alotropów: nanorurki węglowe (CNT), grafit, diament, węgiel amorficzny, lonsdaleit, buckminsterfulleren (C60), fuleryt (C540), fuleren (C70) i węgiel szklisty1,2,3,4. Węgiel szklisty jest jednym z najczęściej stosowanych alotropów ze względu na swoje właściwości fizyczne, w tym wysoką izotropię. Posiada również następujące właściwości: dobrą przewodność elektryczną, niski współczynnik rozszerzalności cieplnej i nieprzepuszczalność gazów.
Nieustannie poszukuje się bogatych w węgiel materiałów prekursorowych do uzyskania struktur węglowych. Prekursorami tymi mogą być materiały wytworzone przez człowieka lub produkty naturalne, które są dostępne w określonych kształtach, a nawet zawierają produkty odpadowe. Szeroka gama mikro/nanostruktur powstaje w wyniku procesów biologicznych lub środowiskowych zachodzących w przyrodzie, co skutkuje unikalnymi cechami, które są niezwykle trudne do stworzenia przy użyciu konwencjonalnych narzędzi produkcyjnych. Ponieważ w tym przypadku tworzenie wzorów odbywało się naturalnie, synteza nanomateriałów przy użyciu naturalnych i odpadowych prekursorów węglowodorów mogła być przeprowadzona przy użyciu łatwego, jednoetapowego procesu rozkładu termicznego w atmosferze obojętnej lub próżniowej, zwanego pirolizą5. Wysokiej jakości grafen, jednościenne CNT, wielościenne CNT i kropki węglowe zostały wytworzone w wyniku rozkładu termicznego lub pirolizy prekursorów i odpadów pochodzenia roślinnego, w tym nasion, włókien i olejów, takich jak olej terpentynowy, olej sezamowy, olej neem (Azadirachta indica), olejek eukaliptusowy, olej palmowy i olejek z jatrofy. Wykorzystano również produkty kamforowe, ekstrakty z drzewa herbacianego, odpady żywnościowe, owady, odpady agro i produkty spożywcze6,7,8,9 Ostatnio naukowcy wykorzystali nawet kokony jedwabne jako materiał prekursorowy do przygotowania porowatych mikrowłókien węglowych10. Ludzki włos, zwykle uważany za materiał odpadowy, został niedawno wykorzystany przez ten zespół. Składa się z około 91% polipeptydów, które zawierają ponad 50% węgla; Reszta to pierwiastki takie jak tlen, wodór, azot i siarka11. Włosy mają również kilka interesujących właściwości, takich jak bardzo powolna degradacja, wysoka wytrzymałość na rozciąganie, wysoka izolacyjność termiczna i wysoka elastyczna regeneracja. Ostatnio został wykorzystany do przygotowania płatków węglowych stosowanych w superkondensatorach12 oraz do tworzenia pustych mikrowłókien węglowych do wykrywania elektrochemicznego13.
Obróbka materiału węglowego do produkcji trójwymiarowych (3D) struktur jest trudnym zadaniem, ponieważ materiał ten jest bardzo kruchy. Skupiona wiązka jonów14,15 lub reaktywne trawienie jonowe16 mogą być przydatne w tym kontekście, ale są to kosztowne i czasochłonne procesy. Technologia węglowego systemu mikroelektromechanicznego (C-MEMS), która opiera się na pirolizie wzorzystych struktur polimerowych, stanowi wszechstronną alternatywę. W ciągu ostatnich dwóch dekad C-MEMS i węglowe systemy nanoelektromechaniczne (C-NEMS) cieszyły się dużym zainteresowaniem ze względu na proste i niedrogie etapy produkcji. Konwencjonalny proces wytwarzania C-MEMS odbywa się w dwóch etapach: (i) modelowanie prekursora polimerowego (np. fotorezystu) za pomocą fotolitografii oraz (ii) piroliza wzorzystych struktur. Prekursory polimerowe utwardzane promieniowaniem ultrafioletowym (UV), takie jak fotorezystuły SU8, są często używane do modelowania struktur opartych na fotolitografii. Ogólnie rzecz biorąc, proces fotolitografii obejmuje etapy powlekania wirowego, miękkiego wypalania, ekspozycji na promieniowanie UV, po wypalaniu i wywoływania. W przypadku C-MEMS; krzem; krzemionka; azotek krzemu; kwarc; A ostatnio szafir został użyty jako podłoże. Fotowzorzyste struktury polimerowe są karbonizowane w wysokiej temperaturze (800-1 100 °C) w środowisku beztlenowym. W tych podwyższonych temperaturach w próżni lub atmosferze obojętnej wszystkie pierwiastki niewęglowe są usuwane, pozostawiając tylko węgiel. Technika ta pozwala na uzyskanie wysokiej jakości, szklistych struktur węglowych, które są bardzo przydatne w wielu zastosowaniach, w tym w wykrywaniu elektrochemicznym17, magazynowaniu energii18, triboelektrycznej nanogeneracji19 oraz elektrokinetycznej manipulacji cząstkami20. Ponadto wytwarzanie mikrostruktur 3D o wysokich proporcjach przy użyciu C-MEMS stało się stosunkowo łatwe i doprowadziło do szerokiej gamy zastosowań elektrod węglowych18,21,22,23, często zastępując elektrody z metali szlachetnych.
W tej pracy przedstawiono niedawny rozwój prostego i opłacalnego sposobu wytwarzania pustych mikrowłókien węglowych z ludzkich włosów przy użyciu niekonwencjonalnej technologii C-MEMS13. Opisano tu również konwencjonalny proces C-MEMS oparty na polimerach SU8. W szczególności opisano procedurę wytwarzania brył o wysokim współczynniku kształtu i pustych struktur SU824.