吉大团队研发碳点自组装新材料，有望用于光学涂层和软体机器人

近年来，在材料科学和纳米科学领域，将纳米粒子组装成宏观材料一直是一项重要课题。一般来说，人们通过集成单个纳米粒子的光学性质、电学性质和力学性质，来构建功能多样性的新材料。

目前为止，通过利用不同尺寸、不同形状和不同组成的纳米粒子，以及利用不同纳米粒子之间的相互作用，人们已经构建了一些宏观材料，例如凝胶、干凝胶、超晶格、光子晶体、胶体液晶和玻璃态材料等。

这些由纳米粒子组装而成的宏观材料，在催化、储能、电子科学、生物医学等领域均已得到应用。

对于这些纳米粒子的表面来说，它们通常接枝着小配体或短聚合物链。对于相邻的纳米粒子来说，这些短链会导致它们之间缺乏足够的链间相互作用，以至于由纳米粒子组装的宏观材料，往往存在脆性大、缺乏柔性、机械性质差等缺点。

这些限制的存在，为利用不同功能的纳米粒子制备坚固的宏观器件带来了阻碍。对于由纳米粒子制备的宏观材料来说，为了改善它们的力学性能，人们通常会把共价相互作用、或非共价交联相互作用，使用到材料制备之中。

但是，这些材料往往存在不可回收和不可持续的劣势。因此，假如在批量制备功能性纳米粒子的时候，将它们组装成可被回收、可被持续加工、机械性质优异的宏观材料，将有助于探索新的变革性材料。

作为一种新兴的纳米粒子，碳点（CDs，Carbon Dots）凭借低毒性、易修饰、环境友好、生物相容性好、易于低成本批量生产、光电和光致发光性能优异等特点，在基础研究和实际应用中引起了广泛关注。

目前，当以有机小分子或聚合物作为原料来合成碳点的时候，一般采用自下而上的策略。使用这种方法合成的碳点，表现出典型的核壳结构。除了具有碳化的核之外，这种碳点还具有丰富的官能团、以及短聚合物链的壳。

这些官能团或聚合物链的存在，有助于碳点的化学修饰，进一步推动了碳点在纳米复合材料和功能器件中的发展。

值得注意的是，碳点作为构筑基元的宏观材料将继承碳点的优良特性，并产生单个碳点所不具有的耦合性能，然而，仅由碳点组装成的宏观材料尚未报道。

基于上述背景，吉林大学教授李云峰课题组开发了一种薄膜材料，它由脲基嘧啶酮（UPy，2-ureido-4[1H]-pyrimidinone）基团修饰的碳点自组装而来。

图 | 李云峰（来源：李云峰）

研究伊始他们查阅大量的文献，挑选了合适的碳点和后修饰基团。然后，他们开始尝试制备 UPy 修饰碳点，并对提纯条件加以细化，以及调节接枝的比例，进而对 UPy 修饰碳点进行表征。

接着，课题组开始制备宏观材料，并对膜材料的形貌进行表征，并测试了材料的溶剂稳定性。

随后，他们开始表征材料的机械性质，并利用分子动力学来模拟影响材料机械性质的内在因素，最后进行了水塑加工处理，借此造出了不同荧光颜色的膜材料。

他们发现通过调节 UPy 基团的修饰量，能够调控碳点之间的相互作用力。这样一来薄膜不仅可以继承碳点的荧光性质，并且可以通过掺杂其他碳点，来实现荧光颜色可调的特性。

更重要的是，该薄膜具有自愈性、可回收、力学优异、耐溶剂性等性能，杨氏模量超过 490MPa，断裂强度超过 30MPa。

经过多次循环利用之后，仍能基本保持原有的机械性能。分子动力学模拟结果表明，这种薄膜的力学性能取决于粒子间和粒子内氢键的相互作用。此外，通过环保的水塑法还能把薄膜加工成各种形状。

总的来说，通过运用分子动力学方法，课题组很好地解释了碳点内和碳点间氢键与材料的应力应变特性之间的关系，为探索基于纳米粒子组装的功能宏观材料提供了新方法。

相比之下，由传统纳米粒子组装的宏观材料，存在易碎、缺乏柔性、机械性质差等诸多限制。而本次薄膜不仅突破了上述限制，也将加速纳米材料在实际应用中的发展。

就应用前景来说，本次提出的方法以及薄膜材料，有望用于生物材料、光学涂层、柔性传感器和软体机器人等。在相关论文之中，该团队也初步展示了传感湿度的概念性应用。

（来源：Nature Communications）

最终，相关论文以《将碳点可重铸成机械坚固的宏观材料》（Recastable assemblies of carbon dots into mechanically robust macroscopic materials）为题发在 Nature Communications[1]。

吉林大学博士生隋博文和吉林大学副教授朱有亮副教授是共同一作，吉林大学教授李云峰担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

接下来，课题组希望能够丰富碳点自组装宏观材料的种类，以便制备功能更加多样的碳点自组装宏观材料，进一步地开发相关材料的功能，期待最终研发一种能够服务人类生产生活的创新材料。

参考资料：

1.Sui, B., Zhu, Y., Jiang, X.et al. Recastable assemblies of carbon dots into mechanically robust macroscopic materials. Nat Commun 14, 6782 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-42516-8

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