Nature Communications綜述：碳納米材料與光致變色分子耦合制備光學響應材料

碳元素是宇宙中最豐富的元素之一，它形成了多種多樣具有獨特性能的同素性形體（例如碳納米管、石墨烯、富勒烯等），并且它形成的化合物的數量比其它任何化學元素都要多。在如此豐富的碳材料的基礎上對其進行功能化，更是豐富了碳材料在生活中的應用，為智能且高性能的光電子、納米裝置、傳感器、和邏輯電路等材料的研究和生產帶來了新的希望。

該綜述報道了用光致變色分子功能化碳納米材料，重點介紹了功能化的方法、材料的特性和應用。

圖1. 應用最廣泛的光致發光分子的化學結構。偶氮苯、芪和螺吡喃既可以通過光化學或熱而還原，而二芳基乙烯可以通過光化學或電化學實現“開”和“關”兩種形式之間的轉換。

表1. 應用最廣泛的光致發光分子的基本性能

功能化的方法

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圖2. 光致發光分子功能化碳基納米材料。可以通過共價或非共價的方法進行功能化。非共價修飾包括π-π堆疊，疏水作用或靜電作用，該方法僅輕度干擾碳同素異形體的SP²結構。而共價官能化可通過環加成反應，縮合反應或自由基聚合等，該方法提供了很強的結合作用。 0D、1D、2D分別表示零維、一維和二維。

光致發光碳基納米材料的特性

表2. 光致發光碳基納米材料的調制特性

光致發光碳基納米材料的應用

分子結與場效應晶體管

圖3. 光致發光碳基納米材料在分子結（上圖）和晶體管（下圖）方面的應用。形成酰胺鍵用來（a）橋接兩個碳納米管與二芳基乙烯分子。改編自Ref.82（版權所有2007美國化學學會）和（b）通過點接觸共價連接兩個石墨烯與偶氮苯分子。改編自Ref.84（版權所有2013約翰·威利父子有限公司）。（三）用烷烴或芘基團衍生的螺吡喃物理吸附在碳納米管上。改編自Ref.89（版權所有2005年美國化學社會）。（d）用芘代螺吡喃功能化的石墨烯基場效應晶體管。改編自Ref.94（版權2012美國化學學會）。

太陽能蓄熱器和記憶元件

圖4. 光致發光碳基納米材料在太陽能蓄熱器和記憶元件方面的應用。（a）偶氮苯共價連接到碳納米管上的太陽能熱燃料的機理。轉載自Ref.104。（版權所有2011美國化學學會）。 （b）用于太陽能熱燃料的偶氮苯共價連接的碳納米管的光化學和光化學/熱循環的方案。圖4b是根據Ref. 20繪制（版權2014年自然出版集團）。 （c）通過溶液法將偶氮苯單層作為活性層夾在兩個還原氧化石墨烯電極之間，制備的電壓驅動的非易失性分子記憶裝置，以及“開”和“關”兩個狀態的記憶保留性能。轉載自Ref.108（版權2013約翰·威利父子有限公司）。

傳感和生物學

圖5. 光致發光碳基納米材料在傳感（上圖）和生物學（下圖）方面的應用。（a）偶氮苯改性的碳納米管被用作顏色識別器。轉載自Ref.100（版權所有2009美國化學學會，http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ nl8032922）。 （b）螺吡喃共價連接到碳納米管,可以通過光照射來調節辣根過氧化物酶（HRP）的活性。轉載自Ref.110（版權所有2011英國皇家化學學會）。（c）氧化還原石墨烯/透明質酸-螺吡喃用于體內熒光成像。改編自Ref.114（版權所有2013美國化學學會）。

展望

圖6. 潛在的有趣的光致變色分子。目前，這些分子還沒有與碳基納米材料相結合，這些分子可用于特定的應用。苯氧基萘并萘醌的分子內轉移用于傳感（Ref.130）。光誘導自由基形成的聯茚滿烯二酮（Ref.131）或鈷配合物的光致化合價互變用于自旋電子學（Ref.132）。所提出的三個例子代表基本的化學結構，有可能用不同的取代基重新設計其化學結構。

總結

本文對最常用的光致發光分子進行了總結，并對光致發光分子功能化碳基納米材料的方法、特性和應用進行了詳細的報道，為新型光致發光功能化碳基納米材料的研究提供了思路。

該成果近期發表在Nature Communications上 (IF=11.47 )上，論文鏈接：Coupling carbon nanomaterials with photochromic molecules for the generation of optically responsive materials（非原網頁讀者，請到材料牛下載）

該文獻解讀由材料人科普團隊學術組CrazySnail投稿，材料牛編輯整理。

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