新聞中心訊 碳點（carbon dots）自2004年被發現以來，受到國際學術界的廣泛關注和深入研究，迄今發表的學術論文數以萬計。碳點是納米碳材料家族中繼碳籠、碳納米管、石墨烯之後，新一代革命性創新材料。從最初發現碳點具有與眾不同的熒光特性到今天，碳點在發光器件、生物成像、光熱治療、光電催化、電化學儲能等諸多領域都展現出誘人的前景。
碳點的獨特之處在於——其他碳材料含碳量接近100%，而碳點中含有大量非金屬元素如氧、氫、氮、硫等等，這些雜元素總量甚至超過碳元素本身。這樣的特徵一方面給碳點帶來了極其豐富的組成結構與意想不到的優異性能，另一方面導致碳點分離純化的困難，其組成結構與性能機理之間的關係難以確定。
復旦大學化學系教授熊煥明課題組多年來專注研究碳點相關問題，他們採用水熱-溶劑熱法合成碳點的技術已經成熟，合成的產品具有安全無毒、綠色環保、價廉物美的明顯優勢。最近，課題組還創新地應用柱色譜分離技術對碳點進行高效分離，獲得尺寸均勻、性能一致的產品。課題組在國際重要學術刊物上發表了一系列論文，並被國內外同行大量引用，申請了中國發明專利並獲得授權。其中，有望產業化的碳點研究成果將亮相2018年中國國際工業博覽會。
發光波長可調的一系列碳點水溶液，及其發光調變的原理
安全環保 價廉物美 碳點產業化優勢顯著
合成碳點的原料極其豐富，從化學實驗室常見的有機物到日常生活中含碳的生物質，如蔗糖、酒精、牛奶、檸檬汁、果皮、果殼、樹葉、雜草、廢紙等，文獻中都有報道。合成碳點的方法也是多種多樣，既有“自上而下”的物理技術，也有“自下而上”的化學制備。
在百家爭鳴的研究熱潮中，熊煥明課題組發明了綠色化學合成方法，摒棄了有毒害的化工原料和複雜的生產工藝，為日後的產業化做好準備。
“我們在碳點合成時考慮到產業化的需求，只用少量廉價的化學試劑、大量的水與天然原料，用簡單的一步化學反應就能大量合成。”熊煥明介紹：“更重要的是，碳點從原料到最終產品，整個過程安全、綠色、環保，產品本身也沒有任何生物毒性。”
紅光碳點水溶液及其乾燥後的粉末
打破常規 創新技術 將有機化學分離方法用於無機材料
性能優越的碳點背後有什麼秘密？熊煥明介紹，課題組將有機化學合成中常用的柱色譜分離方法創新地應用於碳點產品分離，獲得尺寸均勻、性能一致的產品，確定了碳點組成結構與性能機理之間的關係，突破了碳點研究中的關鍵瓶頸。
在此之前，很多學者認為碳點屬於無機發光材料，而柱色譜技術是有機合成中常用的分離方法。熊煥明發現，碳點與傳統的無機量子點完全不同，其內核是無機的石墨化結構，而外殼是有機功能基團網絡結構，利用這個特點完全有可能採用柱色譜技術對碳點進行精準分離純化。
課題組經過幾年摸索，優化了填料、洗脫劑的配方與操作流程，最終得到碳點粒徑均一、發光性能高度一致、光學純度100%的產品。2016年，這一成果發表在美國化學會著名學術刊物ACS Nano，兩年時間已被國內外同行引用了300多次。這項成果同時申請了中國發明專利 “波長可調的碳量子點及其製備方法和應用” （專利號CN201510581387.9）並獲得了授權。
目前，課題組合成製備碳點的技術已非常成熟，並且在生物熒光分析、潛指紋成像鑑定和電化學儲能領域，找到了重要的應用前景，這些成果以論文形式發表在許多重要學術刊物上。
研究可期 應用廣泛 碳點發展前途光明
熊煥明認為，碳點研究的科學價值不可估量。“石墨烯、碳納米管這些材料都有固定的組成結構，其性能可以預見。碳點不一樣，沒有固定的組成結構，決定了它性質功能豐富多彩。關於碳點，很多問題學術界還沒研究清楚，有非常廣闊的空間等著大家去探索。”
從應用的角度來看，廉價的碳點大有用武之地。就發光性能而言，碳點可用於生物成像、指紋鑑定、防偽商標、警示標誌、發光器件等領域。就催化而言，碳點可用於氧氣還原、水的分解、氮氣固定、二氧化碳還原等重要的催化反應。
談及碳點的發展前景，熊煥明非常樂觀。“碳點發現以來，國內外發表的論文專利都呈指數型增長，創新發明層出不窮，研究瓶頸一個接著一個被打破，一些意想不到的性質都被科學家們發現了。我注意到國家自然科學基金對碳點領域的投入也在迅速增長。碳點本身安全無毒、綠色環保、價廉物美的優勢適合於產業化，一旦在實際生產生活中大量應用，就會有工業投資促進這種新材料以更快的速度發展下去。”
“我們無法預測碳點未來的發展方向，但可以肯定的是，這條路上走的人已經越來越多，路變得越來越寬，風景無限，前途光明。”熊煥明這樣說。
文：肖暖暖
封面製圖：張琦
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