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碳点的生命之光

已有 957 次阅读 2019-12-10 14:55 |系统分类:科研笔记

碳点的生命之光

20191126~29DT新材料举办了新一届国际碳材料产业博览会,吸引我参加的是其中的分论坛之一——碳点学术研讨会。2014年我发明了石墨烯量子点(碳点家族成员之一)的工业化制备技术并一直为其产业化应用而奋斗着,然而就像所有新生材料一样其有很多知识尚待认识,应用也不是一蹴而就需要循序渐进。抱着向同行虚心学习的态度,我认认真真地听了三天报告,应该说这个研讨会的学术氛围在当前还是真不多见的,下面结合会上的学习和以往的经验,谈一点自己对此的初浅认识,供大家讨论。

l  碳点是无机物还是有机物,还是兼而有之?会上曲松楠老师总结了碳点三要素:一是,主要元素组份是碳;二是,碳化过程;三是,含有至少一种碳结构(碳的同素异构体)。我认为概括的挺好,但二和三可以合并为一个,三应是含有大量的有机官能团。基于这三个要素,可以判断碳点是一种介于有机物和无机物之间的一种全新的材料体系。进而可以认为,至上而下的碳点制备方法是将无机物碳材料(石墨、炭黑、碳纤维等)局部有机化的过程,即块体碳材料被解离成零维尺度的纳米碳颗粒过程中,伴随有大量有机官能团在纳米碳颗粒表面生成;相反,至下而上的碳点制备方法是有机物小分子(苯二胺、柠檬酸等五花八门的原料)聚合成零维尺度的纳米团聚体过程中,伴随有局部无机化的过程(脱水炭化现象)。有了上述这样一个清晰描述,对于我们理解下面很多问题将是大有帮助的。

l  碳点是一大类全新的材料体系,结构十分复杂,并完全取决于制备过程,导致在科学的系统性方面形象的比喻有点像“中药”,“老中医”的经验在其中发挥了关键作用,这是否能与国际上大多数碳点成果都是华人发表的相关联呢?我这里没有任何贬损的意思,只是穿越到文化角度上更形象的理解碳点发展的内在逻辑。会上“老中医”杨柏老师对碳点进行了总结性发言——碳点需要结构上的系统梳理,需要更多的以谱学为代表的、创新的表征方法,需要结合新的理论计算,并以重大需求为导向寻求应用上的突破。

l  碳点是“有生命的”,无论是伴随着局部有机化,还是局部无机化,这与自然界生命的形成过程在某种程度上是可以类比的,目前的研究发现大多数碳点都是低毒甚至无毒的,需要从科学上系统研究局部有机化或无几化过程与毒性相关性是什么?会上范楼珍老师展示了可广谱靶向肿瘤的碳点,雷炳富老师的碳点与植物的相互作用,就是碳点“有生命的”最好阐释。

l  碳点是有荧光共性的,它的发光机理可能有类似于无机物量子点的半导体发光,可能有类似于有机物发光基团的分子态发光,也许可能是上述两种或多或少的偶合作用。熊焕明老师解释了碳点混合物是导致激发波长依赖性的原因,实质上这反应了含有不同尺度的碳点混合物对发光的影响,然而同一尺度碳点上的不同有机官能团也可能会导致出现这种依赖性。其实,对碳点的荧光属性的研究不仅在光电、荧光检测等方面有很强的应用前景,而且更重要的其是打开自身物质结构的“生命之光”。这种光的色彩与强度来自于碳点的内在结构,例如碳点的尺寸分布,碳点局部有机化官能团的种类、数量和分布,碳点局部无机化的程度和结晶形态,以及碳点上无机与有机结构的分子内相互作用,不同碳点之间的相互作用,碳点与周围环境的相互作用等等。

最后要说,碳点作为碳材料家族新的一员,其实它已经超越了碳材料范畴,它在无机与有机、在不同的生态体系之间建立起一座桥梁,是交叉科学技术发展的一把新利器,当然也只有科学系统的建立碳点家族的理论基础和技术体系框架,才有可能在你们中间发现另一个“屠呦呦”。




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