功能納米碳點“照亮”應用征途

吳凱

北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

功能納米碳點的結構示意圖

近30余年來，世界各國的科學家致力于創(chuàng)制全新的不同維數(shù)碳同素異形體，納米碳材料的家族成員得以持續(xù)不斷增加，引領和開創(chuàng)了眾多全新的科技領域。1985年，英國Harold Kroto和美國Robert Curl及Richard Smalley三位教授在萊斯大學制備出由60個碳原子組成的簇狀分子C601，開辟了零維納米碳材料-富勒烯的新領域，榮獲了1996年度諾貝爾化學獎。1991年，日本筑波NEC實驗室的Iijima博士發(fā)現(xiàn)了一維納米碳材料-碳納米管2；碳納米管具有碳六邊形組成的蜂窩狀結構組成的骨架，其硬度與金剛石相當，兼具良好的柔韌性、高模量和高強度，導電性能可以調變。2004年，英國曼徹斯特大學Andre Geim和Konstantin Novoselov教授發(fā)現(xiàn)了二維納米碳材料—石墨烯3，這種晶體碳原子結構的二維功能碳材料，具有整數(shù)量子霍爾效應及常溫下的量子霍爾效應；Geim和Novoselov教授榮獲了2010年度諾貝爾物理學獎。2010年，中國科學家李玉良教授等人創(chuàng)制了一種全新的全碳二維平面結構材料—石墨炔，他們在銅箔表面上通過化學方法原位合成出大面積的石墨炔薄膜4。石墨炔是一種由sp和sp2雜化形成的碳的新型同素異形體，是由1,3-二炔鍵將苯環(huán)共軛連接形成的二維單原子層平面構型。石墨炔具有豐富的碳化學鍵，大的共軛體系、寬面間距、多孔、優(yōu)良的化學性能、熱穩(wěn)定性、半導體性能及力學、催化和磁學等性能。石墨炔的創(chuàng)制，使碳材料家族又誕生了一個新成員，開辟了人工化學合成新碳素異形體的先例。以李玉良院士為代表的中國化學家的這一杰出的原創(chuàng)工作，在碳材料科學和有機合成領域寫下了濃墨重彩的一筆。

納米碳點作為納米碳材料家族的新成員，是一類具有冷發(fā)光特征的準零維納米碳顆粒的統(tǒng)稱，由碳質核心和表面鈍化層兩部分組成5,6。碳核既可以是sp2雜化的石墨烯碎片(單層或多層石墨烯量子點)，也可以是sp2和sp3雜化碳構成的碳納米顆粒，亦可以是非共軛類聚合物構筑的納米顆粒(聚合物點)。碳點具有獨特的光學性質，在外界光源、電場或化學反應的刺激下，可激發(fā)出熒光或磷光。碳點具有良好的水溶性、低毒性、生物相容性等優(yōu)點，可由煤炭、石油焦等價廉易得的含碳資源制備得到7-9。自2006年發(fā)現(xiàn)至今，納米碳點在世界范圍內(nèi)受到越來越多的關注。最近，西安交通大學胡超和北京化工大學邱介山等對碳點的制備方法及應用等最新進展做了全面的總結和評述10。

論文已在物理化學學報在線發(fā)表(doi:10.3866/PKU.WHXB201806060)10。該文梳理了納米碳點的結構和組成特點，介紹了“自上而下”和“自下而上”的二種制備策略，總結評述了不同制備方法對碳點結構和組成的影響規(guī)律，重點論述了碳點在生物成像與診療、傳感、催化、光電器件和能量存儲領域的最新進展，展望了碳點的未來發(fā)展前景。該工作對從事新型納米碳材料及發(fā)光材料研究的研究者有重要的參考和啟發(fā)意義。