【写作竞赛】任意掺杂和完全共聚的发光碳纳米材料–新型光功能玻璃

科技的发展对实现光功能材料的固态器件化提出了更高的要求。除了生物医学应用以外,功能材料绝大多数的应用都不是基于单个纳米粒子或者单分子化合物,也不是在溶液中进行的。因此,为实现功能材料的固态器件化,发展能够稳定包埋的固态基体或者组装成固态宏观体材料并且保持其独特性质非常重要。但是复合或组装后通常导致其性能降低,尤其是有机物和纳米粒子等功能客体在固体基质中的移动和团聚是热力学自发过程,导致团聚堆积、宏观相分离、掺杂浓度低(通常1-10wt%或者更低)、客体性能无法保持等关键问题。而采用主客体之间共价键强烈化学作用对于制备高透明高浓度复合材料至关重要。高分子科学的发展表明,共聚合可以充分保证高浓度和任意均匀掺杂,保持客体的高性能。而对于纳米材料的共聚合非常困难,几乎均是使用可聚合表面活性剂或配体、离子键等利用物理弱键包覆后再聚合,掺杂浓度也均<10wt%,性能从包覆到聚合后会依次下降。实现光功能材料在透明固体玻璃基质中共价链接、高浓度和任意掺杂,乃至共聚合具有重要的理论意义和应用价值。

伴随富勒烯、纳米碳管和石墨烯等纳米碳材料的发展,近两年碳量子点成为研究热点。与先前的石墨蜂窝结构碳纳米材料相比,碳量子点具有优越的发光性能;与半导体量子点相比,发光更稳定、易于功能化和工业化、无毒、制备简单廉价,因此开展碳量子点的研究具有重要的理论意义和应用背景。同样,碳纳米材料虽有极少数共聚的报道,本身固有的性质和仅能后功能化使得无法引入足够多的聚合基团,掺杂浓度和透明性更难解决。

来自中国科学院理化技术研究所的研究人员发明了碳量子点一步原位预功能化技术,使一个碳点纳米粒子上可链接很多硅烷功能基团,从而实现任意和均匀掺杂,无团聚相分离,更能保持性能和提高浓度。这种流体碳点在水和绝大多数溶剂(混溶)、凝胶玻璃固体基质 (共聚和共价键链接)中0-100%掺杂,也可称为“可完全共价聚合的纳米材料”和“碳点功能化的硅烷偶联剂”,兼具碳点和硅烷偶联剂双重性能。因此,真正实现了纳米材料的本体聚合和任意浓度共聚合,发明碳点杂化复合材料和块体材料;通过碳点本体聚合发明了碳点宏观玻璃和块体:实现硅烷化碳点本体自聚合和掺杂比例最高的纳米复合材料(极限100%)。硅烷功能化的碳量子点还可与多种有机硅烷水解共聚,实现碳量子点与基质的共价键化学连接、分子水平分散和0-100%任意浓度的掺杂,获得一系列均质碳量子点杂化复合材料和宏观块体(玻璃、块体、薄膜、粉末、纤维、涂层),没有任何团聚和相分离产生,通过掺杂浓度的变化非常方便实现液固态的光、力、热学多种性能调控。同时还发现了碳点及其杂化材料的光限幅性能,在可见和近红外区域针对脉冲激光具有很好的宽波段(532和1064nm)的激光防护光限幅性能和高透过率(~90%),并具有优良的光、热和力学稳定性。

更为重要的是,硅烷功能化碳点具有的优异荧光发光、非线性光学、光限幅等光学性能在凝胶玻璃基质中均能保持甚至能有较大提高。其中共聚凝胶玻璃绝对发光效率从碳点共聚前的47%提高到88%,远远高于已报道的发光纳米复合材料的最高发光效率。这些研究结果发表在Adv. Mater.2012, 24, 1716–1721DOI:10. 1002/adma. 201104962)上。