碳量子點(diǎn)(CDs)因其制備成本低、光穩(wěn)定性好、生物相容性好、毒性低、發(fā)射波長(zhǎng)可調(diào)、易于功能化等優(yōu)異的性能,已廣泛應(yīng)用于光催化、生物傳感、生物成像、光電器件等領(lǐng)域。然而,碳量子點(diǎn)在固態(tài)時(shí)由于熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET),產(chǎn)生嚴(yán)重的熒光淬滅,基本不發(fā)射熒光。這一現(xiàn)象極大地影響了碳量子點(diǎn)在柔性顯示、綠色打印等領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此,研究如何調(diào)控碳量子點(diǎn)固體粉末發(fā)光是一項(xiàng)具有重要意義的課題。
針對(duì)以上難題,天津大學(xué)材料學(xué)院封偉教授團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了聚乙二醇(PEG)可以誘導(dǎo)疏水性的固態(tài)含氟碳量子點(diǎn)(FCDs)產(chǎn)生熒光發(fā)射。這類新型的FCDs通過水熱氟化法將CDs表面的含氧基團(tuán)(-OH、-COOH等)被F原子取代制得(圖1)。CDs表面的含氧基團(tuán)被F原子取代后形成強(qiáng)極性的C-F鍵,使FCDs之間會(huì)形成氫鍵(C-F???H-C)而聚集導(dǎo)致熒光猝滅。當(dāng)PEG的水溶液涂覆在固態(tài)FCDs表面待水分蒸發(fā)干燥后,F(xiàn)CDs發(fā)射出強(qiáng)烈的黃色熒光。這是由于PEG的主鏈上帶正電性的-CH2-CH2-與FCDs表面帶負(fù)電性的氟原子產(chǎn)生靜電(偶極-偶極)作用,使得PEG鏈可以滲透進(jìn)入團(tuán)聚的FCDs大顆粒中并吸附在單個(gè)FCD表面增加FCDs顆粒之間的距離阻止了顆粒與顆粒之間的熒光能量共振轉(zhuǎn)移。(圖2)
圖1 (a)FCDs的合成路線。(b)CDs的TEM、HRTEM和尺寸分布圖。(b)FCDs的TEM、HRTEM和尺寸分布圖。(d)圖(c)的局部放大TEM圖。
圖2 PEG處理的FCDs的TEM圖(a)和粒間距離分布圖(b)。PEG誘導(dǎo)固態(tài)FCDs熒光發(fā)射的能級(jí)圖(c)和機(jī)理圖(d)。(e)CDs、FCDs和FCDs@PEG20000的表面電位圖。
該團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)只有PEG對(duì)固態(tài)FCDs具有誘導(dǎo)熒光效應(yīng),其他的水溶性的聚合物如聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸(PAA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酰胺(PAM)均不會(huì)誘導(dǎo)固態(tài)FCDs產(chǎn)生熒光發(fā)射。同時(shí)大量的熒光發(fā)射光譜數(shù)據(jù)表明,當(dāng)用分子量為20000和濃度為200 mg/mL的PEG處理FCDs墨水構(gòu)筑的圖案時(shí),商業(yè)紙上面的圖案在365nm紫外光下具有最強(qiáng)的熒光發(fā)射和最清晰的分辨界限。(圖3)
圖3 (a)不同分子量的PEG、(b)不同濃度的PEG和(c)不同聚合物對(duì)固態(tài)FCDs的熒光的影響。(d)用不同聚合物和不同分子量PEG處理的天津大學(xué)logo的數(shù)碼照片,其中天津大學(xué)logo用FCDs墨水通過打印機(jī)打印在商業(yè)復(fù)印紙上。
該團(tuán)隊(duì)制備的FCDs具有的PEG誘導(dǎo)固態(tài)熒光發(fā)射的性質(zhì),使其成為一種新型的智能發(fā)光材料,在信息的加密與解密方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值,特別是在秘密文件的傳送過程中具有非常明顯保密優(yōu)勢(shì)。這種疏水FCDs可以制備成墨水注入到商用打印機(jī)的墨盒中打印出各種各樣的文字、圖案。通過在這種FCDs墨水打印在商業(yè)紙上的文字和圖案信息干燥后在365nm的紫外光下和太陽光下均不可見。只有涂覆PEG水溶液待水分蒸發(fā)干燥后,在365nm的紫外光下才可以觀察到各種預(yù)先打印好的發(fā)出強(qiáng)烈熒光的文字或圖案,并且實(shí)現(xiàn)肉眼讀取上面的隱藏信息(圖4)。
圖4 (a)基于FCDs的隱形墨水用于信息加密示意圖。(b)FCDs墨水在商用紙上寫字再用PEG處理后在紫外光下顯示字母。(c)用裝滿FCDs墨水的打印在商用紙上打印各種圖案經(jīng)過PEG處理后再紫外光下的數(shù)碼照片。
該成果在線發(fā)表在top期刊ACS Applied Materials & Interfaces上,DOI: 10.1021/acsami.7b13138。論文的第一作者為龍鵬博士。
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