神奇化学剪刀剪出石墨烯发光微粒

石墨烯是一种由单层碳原子构成的蜂窝状二维晶体，因其极高的电子迁移率以及优异的导热和导电性能，被称为材料界的“超级明星”。这种材料在太阳能电池、超级电容器和柔性触摸屏等电子器件领域有着极为广泛的应用前景。科学家们希望进一步挖掘它的潜力，将其应用扩展到光学领域。

为了让原本不怎么发光的石墨烯发光，科学家需要将其尺寸缩小到100纳米以下，从而形成“石墨烯量子点”（GQDs）。在如此微小的尺寸下，神奇的“量子限域效应”会赋予它们光致发光（吸收光后重新发出特定颜色的光）的特性。由于这些量子点发光性能适中、无毒且易于穿透细胞，在细胞成像、生物传感器和药物递送等生物学领域的应用前景非常广阔。

尽管此前已经开发出多种制备石墨烯量子点的方法（例如电子束光刻、水热法或有机合成等），但这些方法往往存在不少局限性。例如，有的方法需要使用强酸和高温进行长时间的苛刻反应，有的合成步骤极其繁琐，且产物的尺寸和形状难以做到均匀一致。

为了解决这些难题，研究人员提出只需“一步”就能完成的尺寸可控方法，具有工艺简单、成本低且易于大规模生产的优势。在这项研究中，科学家们以氧化石墨烯（GO）为起步原料，使用高锰酸钾和硫酸混合物作为“化学剪刀”，对氧化石墨烯进行“氧化剪裁”。

如图1所示，这把“化学剪刀”的具体工作原理为：酸性条件下的高锰酸盐会优先攻击氧化石墨烯碳原子之间的双键，将其打开并形成孔洞。随着反应的不断进行，这些孔洞会诱发分子内部的应变，促使孔洞顺着不同的方向进一步扩大并撕裂原来的大片氧化石墨烯，最终将其“剪裁”成微小的量子点。

通过精准控制反应时间，研究人员成功制备了两种不同尺寸的石墨烯量子点，分别命名为GQDs-1和GQDs-2。反应时间较短时得到的是GQDs-1，而反应时间较长时得到的则是GQDs-2。

如图3所示，研究人员利用透射电子显微镜（TEM）对这两种材料进行了观察。结果显示，GQDs-1的直径在2到4纳米之间，分布非常均匀；而GQDs-2的直径则在3到5纳米之间。

为了进一步了解它们的立体形态，研究人员还使用了原子力显微镜（AFM）来测量这些量子点的厚度。如图4所示，GQDs-1的平均厚度约为2.4纳米；而GQDs-2的平均厚度更薄，约为1.6纳米。结合单层石墨烯0.34纳米的理论厚度，意味着这些量子点大约是由5到7层极薄的石墨烯薄片堆叠而成的。

这种方法不仅产率高达34.8%，制备出的量子点在光学表现上也十分惊艳。研究结果表明，不同尺寸的量子点发出的光芒并不相同：GQDs-1能够发出明亮的蓝光，而GQDs-2则发出绿光。如图7所示，这两种量子点都具有一种非常奇特的“激发依赖性”光致发光行为。简单来说，就是当你使用不同波长（颜色）的光去照射（激发）它们时，它们发出的荧光颜色也会随之发生有规律的偏移。

更令人兴奋的是，它们还具备“上转换”发光特性。一般的发光材料是吸收高能量的光释放低能量的光，而这两种量子点能够吸收能量较低的长波长光（如700到850纳米的红外光），并将其转换为能量较高的较短波长光发射出来。通过详细的波长机制分析，研究人员推测，GQDs-1之所以发出蓝光，主要是由于材料内部的缺陷态发射转化为本征态发射，或是由电子-空穴复合以及量子尺寸效应所引起的。

学者介绍：刘屹东，中国科学院力学研究所研究员、博士生导师，国家级特聘专家。主要从事高性能材料与器件、合成化学及功能材料研究，研究内容涉及高性能聚合物与复合材料、新能源与储能材料、热管理与相变材料、石墨烯及二维材料等方向，聚焦材料结构设计、合成制备与性能调控，以及先进功能材料在能源存储、电子器件和工程应用中的关键科学与技术问题。

ORCID：0000-0002-8412-9076

DOI：10.1186/s11671-015-0783-9