吳凱

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

功能納米碳點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖

近30余年來(lái)，世界各國(guó)的科學(xué)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(lǐng)和開(kāi)創(chuàng)了眾多全新的科技領(lǐng)域。1985年，英國(guó)Harold Kroto和美國(guó)Robert Curl及Richard Smalley三位教授在萊斯大學(xué)制備出由60個(gè)碳原子組成的簇狀分子C601，開(kāi)辟了零維納米碳材料-富勒烯的新領(lǐng)域，榮獲了1996年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1991年，日本筑波NEC實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)組成的骨架，其硬度與金剛石相當(dāng)，兼具良好的柔韌性、高模量和高強(qiáng)度，導(dǎo)電性能可以調(diào)變。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)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(jié)構(gòu)的二維功能碳材料，具有整數(shù)量子霍爾效應(yīng)及常溫下的量子霍爾效應(yīng)；Geim和Novoselov教授榮獲了2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2010年，中國(guó)科學(xué)家李玉良教授等人創(chuàng)制了一種全新的全碳二維平面結(jié)構(gòu)材料—石墨炔，他們?cè)阢~箔表面上通過(guò)化學(xué)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(gòu)型。石墨炔具有豐富的碳化學(xué)鍵，大的共軛體系、寬面間距、多孔、優(yōu)良的化學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、半導(dǎo)體性能及力學(xué)、催化和磁學(xué)等性能。石墨炔的創(chuàng)制，使碳材料家族又誕生了一個(gè)新成員，開(kāi)辟了人工化學(xué)合成新碳素異形體的先例。以李玉良院士為代表的中國(guó)化學(xué)家的這一杰出的原創(chuàng)工作，在碳材料科學(xué)和有機(jī)合成領(lǐng)域?qū)懴铝藵饽夭实囊还P。

納米碳點(diǎn)作為納米碳材料家族的新成員，是一類(lèi)具有冷發(fā)光特征的準(zhǔn)零維納米碳顆粒的統(tǒng)稱(chēng)，由碳質(zhì)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(diǎn))，也可以是sp2和sp3雜化碳構(gòu)成的碳納米顆粒，亦可以是非共軛類(lèi)聚合物構(gòu)筑的納米顆粒(聚合物點(diǎn))。碳點(diǎn)具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，在外界光源、電場(chǎng)或化學(xué)反應(yīng)的刺激下，可激發(fā)出熒光或磷光。碳點(diǎn)具有良好的水溶性、低毒性、生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，可由煤炭、石油焦等價(jià)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(diǎn)在世界范圍內(nèi)受到越來(lái)越多的關(guān)注。最近，西安交通大學(xué)胡超和北京化工大學(xué)邱介山等對(duì)碳點(diǎn)的制備方法及應(yīng)用等最新進(jìn)展做了全面的總結(jié)和評(píng)述10。

論文已在物理化學(xué)學(xué)報(bào)在線(xiàn)發(fā)表(doi:10.3866/PKU.WHXB201806060)10。該文梳理了納米碳點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和組成特點(diǎn)，介紹了“自上而下”和“自下而上”的二種制備策略，總結(jié)評(píng)述了不同制備方法對(duì)碳點(diǎn)結(jié)構(gòu)和組成的影響規(guī)律，重點(diǎn)論述了碳點(diǎn)在生物成像與診療、傳感、催化、光電器件和能量存儲(chǔ)領(lǐng)域的最新進(jìn)展，展望了碳點(diǎn)的未來(lái)發(fā)展前景。該工作對(duì)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。