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  納米材料在生物醫(yī)學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、能源催化等領(lǐng)域顯示出良好的應(yīng)用前景。但其固態(tài)器件化通常導(dǎo)致其性能降低，特別是對(duì)于光功能復(fù)合和雜化材料存在團(tuán)聚堆積、宏觀相分離、透明性降低等瓶頸問題，從而難以實(shí)現(xiàn)摻雜濃度可控和高性能應(yīng)用。雖然采用各種方法(如包覆、分散劑、分子間作用等)，功能材料在透明基質(zhì)中摻雜濃度仍然局限于 1 %以內(nèi)，通常小于0.1%。實(shí)現(xiàn)光功能材料在透明固體玻璃基質(zhì)中共價(jià)鏈接、高濃度和任意摻雜具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。采用主客體之間共價(jià)鍵強(qiáng)化學(xué)作用對(duì)于制備高透明雜化復(fù)合材料至關(guān)重要。尤其是，高分子科學(xué)的發(fā)展表明，共聚合可以同時(shí)保證高濃度和任意均勻摻雜，保持客體的高性能。但是目前實(shí)現(xiàn)無機(jī)納米材料可聚合非常困難，報(bào)道極少。

  近年來，科研工作者發(fā)現(xiàn)了一種新型熒光納米材料——可聚合硅烷功能化碳點(diǎn)（SiCDs），可以克服上述缺點(diǎn)。中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所謝政研究員和濟(jì)南大學(xué)關(guān)瑞芳教授等在Small上發(fā)表了題為“Silane-Functionalized Carbon Dots and Their polymerized Hybrids From Optoelectronics to Biotherapy”的前瞻綜述文章，并被選為內(nèi)封底。文章綜述了SiCDs與有機(jī)硅烷之間的聯(lián)系、制備方法、典型應(yīng)用和前景展望。

圖1. SiCDs結(jié)構(gòu)組成及其功能示意圖

  SiCDs按功能可分為三個(gè)部分：碳點(diǎn)核心、功能連接基團(tuán)（Y基團(tuán)）和硅烷基團(tuán)（X基團(tuán)）。首先，SiCDs保留了碳點(diǎn)幾乎所有的代表性性能。表面接枝的硅烷賦予SiCDs更加出色的偶聯(lián)雜化功能。Y基團(tuán)源自硅烷前驅(qū)體預(yù)留的-NH、-SH或者-C-C-等功能基團(tuán)，使得SiCDs能夠連接各類功能分子和材料。X基團(tuán)是烷氧基硅基部分，起到偶聯(lián)和雜化作用。文章認(rèn)為，基于這種特殊的結(jié)構(gòu)，SiCDs也可以稱為碳點(diǎn)功能化的硅烷偶聯(lián)劑，理論上能夠與多種有機(jī)、高分子、生物、納米等功能分子和材料偶聯(lián)形成新型納米雜化材料，進(jìn)而開拓更廣闊的應(yīng)用空間。例如：SiCDs本身就可以自聚構(gòu)建反蛋白石光子晶體，實(shí)現(xiàn)了非線性光限幅和三色熒光防偽圖案等應(yīng)用。SiCDs還可以通過硅氧鍵與金納米棒鍵合連接，具有生物診療的潛在應(yīng)用。此外，SiCDs可以與三異氰酸酯共價(jià)連接，以增強(qiáng)SiCDs基氣凝膠整體的機(jī)械性能。同時(shí)，基于SiCDs對(duì)模板分子具有顯著的滲透性，可使用SiCDs構(gòu)建分子印跡聚合物，達(dá)到0.02 mg/L的低檢出限(圖2)。

圖2. 基于SiCDs的聚合納米雜化功能材料a)光子晶體；b)氣凝膠與三異氰酸酯的連接；c)分子印跡聚合物

圖3硅烷功能化碳點(diǎn)的性質(zhì)及其應(yīng)用領(lǐng)域示意圖

  更為重要的是，SiCDs通常采用一步法制備，碳點(diǎn)的形成和硅烷功能化同時(shí)完成。這種原位預(yù)功能化技術(shù)使碳點(diǎn)納米粒子上可鏈接很多硅烷功能基團(tuán)，從而實(shí)現(xiàn)可任意聚合和均勻摻雜，無團(tuán)聚相分離，更能保持性能和提高濃度。上述X和Y基團(tuán)都可以實(shí)現(xiàn)聚合。基于可聚合和溶膠凝膠體系的優(yōu)勢(shì)，SiCDs能夠?qū)崿F(xiàn)多類任意體系(圖3-4)：1) 與和水大部分溶劑實(shí)現(xiàn)0-100%任意濃度的混溶；2) 在室/低溫條件下與各種硅烷和有機(jī)硅化合物實(shí)現(xiàn)0-100%任意濃度的共聚/自聚; 3) 含氧高分子等實(shí)現(xiàn)0-100%任意濃度的共混；4) 固態(tài)下的熒光量子產(chǎn)率能夠達(dá)到0-96%調(diào)控，遠(yuǎn)高于液態(tài)；5) 硅烷碳點(diǎn)能制備成各種任意固體形態(tài)：玻璃、塊體、氣凝膠、光子晶體、薄膜、粉末、纖維、涂層(玻璃、塑料、陶瓷、金屬等多種基體)等，且能夠在高摻雜濃度下同時(shí)保持較高的透過率和優(yōu)異的性能。

圖4. SiCDs任意體系照片: a)SiCDs在溶劑中的任意混溶; b) SiCDs任意聚合凝膠玻璃；c) 多種SiCDs-凝膠納米雜化固體結(jié)構(gòu)；d) SiCDs任意聚合氣凝膠塊體

  因此，SiCDs可以建立一系列任意濃度的碳點(diǎn)溶液體系和共聚雜化固態(tài)材料體系，可形成多種固體宏觀形態(tài)，實(shí)現(xiàn)碳點(diǎn)與固體基質(zhì)的共價(jià)鍵化學(xué)連接、分子水平分散和任意濃度摻雜，沒有任何團(tuán)聚和相分離產(chǎn)生(圖5)，通過摻雜濃度的變化非常方便實(shí)現(xiàn)液固態(tài)多種性能調(diào)控，從而可以實(shí)現(xiàn)摻雜碳點(diǎn)種類、濃度、器件形態(tài)和性能應(yīng)用等方面高度可控。文章還指出，基于同樣思路，可以設(shè)計(jì)制備硅烷化六方氮化硼納米片、石墨烯、銻烯、金屬納米離子和顆粒等可聚合納米材料及其透明聚合雜化體系，為納米雜化材料及其器件制備和應(yīng)用提供了新理念，顯示出巨大的應(yīng)用潛力。

圖5 a)硅烷功能化碳點(diǎn)制備及其聚合過程示意圖;  b) 在靠近邊緣(左)和內(nèi)部(右)的SiCDs涂層切片高分辨TEM圖像；c) SiCDs自聚合(左)和共聚(右)凝膠玻璃的切片高分辨TEM圖像

  文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202105273

  內(nèi)封底鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202170264