Small: 硅烷功能化碳点及其聚合杂化材料:从光电子到生物诊疗

功能纳米材料实现具体应用,通常都需要解决纳米材料本身在溶剂或/和固体基质中的分散和溶解性问题。尤其是将具有特殊性质的纳米材料固定在合适的基质中,新构建杂化/复合材料进而形成器件,在光学、力学、电学等领域具有广泛的应用前景。但是因为存在热力学自发的团聚、堆积和相分离等固有问题,杂化/复合材料通常具有掺杂浓度低以及分散不均匀等诸多瓶颈,限制了进一步应用。具有优异发光性能的碳点作为纳米家族的新成员,其表面丰富的官能团带来的出色的溶剂分散性、可修饰性以及大量的反应活性位点,已经在多种领域展现了非同寻常的应用潜力。

中国科学院理化技术研究所谢政研究员,济南大学关瑞芳教授等对一种新型的荧光纳米材料—硅烷功能化碳点(简称硅烷碳点)进行了系统综述和展望。硅烷碳点兼具了碳点的光电性能和硅烷偶联剂等有机硅材料的偶联杂化功能,有望开启构建杂化复合材料的一种新思路。首先,论文系统地介绍了硅烷碳点的制备方法;其次,重点阐述了硅烷碳点具有的特性和在光电器件、催化、传感、生物等多领域应用的显著优势;最后,总结了硅烷碳点未来面临的机遇和前景。论文被选为内封底

图1 硅烷碳点的多功能示意图

在制备过程中,由于碳点形成和原位硅烷功能化通常同时进行,使得硅烷碳点表面可引入大量的硅烷基团,不仅可以提升碳点的分散性和溶解性,也赋予了与其他功能材料偶联形成杂化材料的优势。硅烷碳点表面的硅烷链与基质之间具有优异的相容性,避免了纳米材料中常见的淬灭和自聚集现象。更重要的是,硅烷偶联剂预留的官能团以及通过进一步水解形成的硅羟基,能够与其他材料实现共价连接。因此文章认为,基于这种特殊的结构,硅烷碳点理论上能够与多种有机、高分子、生物分子、纳米材料或者功能材料偶联构成新型的纳米杂化材料,进而开拓更广阔的应用空间(图1)。 

图2 硅烷功能化碳点的主要特性和应用概要图

其中,基于溶胶凝胶体系的优势,硅烷碳点能够实现四类任意体系(图2-3):1). 与大部分溶剂和水实现0-100%任意浓度混溶;2). 在室/低温条件下与本身、各种硅烷和有机硅化合物实现0-100%任意浓度共聚/自聚,3). 与多种含氧高分子可以实现0-100%任意浓度共混;4). 在固态下的荧光量子产率能够达到0-96%调控,远高于液态。在此基础上,硅烷碳点可以建立一系列任意浓度的碳点液态体系和共聚透明杂化固态材料体系,并可形成多种固体宏观形态(玻璃、块体、气凝胶、光子晶体、薄膜、粉末、纤维、涂层等,如图3),在高掺杂浓度下同时保持高透过率和优异性能。该文章系统总结了基于这种新型发光体及其共聚杂化材料的传感、生物诊疗、催化和LED、激光发射、非线性光限幅、紫外屏蔽和传感等光电器件应用,为实现碳点的器件化和实用化提供一种新思路。

图3 硅烷碳点在溶液态(a)杂化玻璃(b)中的任意浓度混溶及共聚及不同固体形态(c)-(d)

上述研究工作得到了国家自然科学基金项目(21875267,51561145004 )资助。

论文信息:

Silane-Functionalized Carbon Dots and Their Polymerized Hybrids: From Optoelectronics to Biotherapy

Xuezhe Dong, Yunfeng Wang, Ruifang Guan, Junkai Ren, Zheng Xie*

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DOI: 10.1002/smll.202105273

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202105273

内封底链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202170264