Nature Communications综述：碳纳米材料与光致变色分子耦合制备光学响应材料

碳元素是宇宙中最丰富的元素之一，它形成了多种多样具有独特性能的同素性形体（例如碳纳米管、石墨烯、富勒烯等），并且它形成的化合物的数量比其它任何化学元素都要多。在如此丰富的碳材料的基础上对其进行功能化，更是丰富了碳材料在生活中的应用，为智能且高性能的光电子、纳米装置、传感器、和逻辑电路等材料的研究和生产带来了新的希望。

该综述报道了用光致变色分子功能化碳纳米材料，重点介绍了功能化的方法、材料的特性和应用。

图1. 应用最广泛的光致发光分子的化学结构。偶氮苯、芪和螺吡喃既可以通过光化学或热而还原，而二芳基乙烯可以通过光化学或电化学实现“开”和“关”两种形式之间的转换。

表1. 应用最广泛的光致发光分子的基本性能

功能化的方法

图2. 光致发光分子功能化碳基纳米材料。可以通过共价或非共价的方法进行功能化。非共价修饰包括π-π堆叠，疏水作用或静电作用，该方法仅轻度干扰碳同素异形体的SP²结构。而共价官能化可通过环加成反应，缩合反应或自由基聚合等，该方法提供了很强的结合作用。 0D、1D、2D分别表示零维、一维和二维。

光致发光碳基纳米材料的特性

表2. 光致发光碳基纳米材料的调制特性

光致发光碳基纳米材料的应用

分子结与场效应晶体管

图3. 光致发光碳基纳米材料在分子结（上图）和晶体管（下图）方面的应用。形成酰胺键用来（a）桥接两个碳纳米管与二芳基乙烯分子。改编自Ref.82（版权所有2007美国化学学会）和（b）通过点接触共价连接两个石墨烯与偶氮苯分子。改编自Ref.84（版权所有2013约翰·威利父子有限公司）。（三）用烷烃或芘基团衍生的螺吡喃物理吸附在碳纳米管上。改编自Ref.89（版权所有2005年美国化学社会）。（d）用芘代螺吡喃功能化的石墨烯基场效应晶体管。改编自Ref.94（版权2012美国化学学会）。

太阳能蓄热器和记忆元件

图4. 光致发光碳基纳米材料在太阳能蓄热器和记忆元件方面的应用。（a）偶氮苯共价连接到碳纳米管上的太阳能热燃料的机理。转载自Ref.104。（版权所有2011美国化学学会）。 （b）用于太阳能热燃料的偶氮苯共价连接的碳纳米管的光化学和光化学/热循环的方案。图4b是根据Ref. 20绘制（版权2014年自然出版集团）。 （c）通过溶液法将偶氮苯单层作为活性层夹在两个还原氧化石墨烯电极之间，制备的电压驱动的非易失性分子记忆装置，以及“开”和“关”两个状态的记忆保留性能。转载自Ref.108（版权2013约翰·威利父子有限公司）。

传感和生物学

图5. 光致发光碳基纳米材料在传感（上图）和生物学（下图）方面的应用。（a）偶氮苯改性的碳纳米管被用作颜色识别器。转载自Ref.100（版权所有2009美国化学学会，http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ nl8032922）。 （b）螺吡喃共价连接到碳纳米管,可以通过光照射来调节辣根过氧化物酶（HRP）的活性。转载自Ref.110（版权所有2011英国皇家化学学会）。（c）氧化还原石墨烯/透明质酸-螺吡喃用于体内荧光成像。改编自Ref.114（版权所有2013美国化学学会）。

展望

图6. 潜在的有趣的光致变色分子。目前，这些分子还没有与碳基纳米材料相结合，这些分子可用于特定的应用。苯氧基萘并萘醌的分子内转移用于传感（Ref.130）。光诱导自由基形成的联茚满烯二酮（Ref.131）或钴配合物的光致化合价互变用于自旋电子学（Ref.132）。所提出的三个例子代表基本的化学结构，有可能用不同的取代基重新设计其化学结构。

总结

本文对最常用的光致发光分子进行了总结，并对光致发光分子功能化碳基纳米材料的方法、特性和应用进行了详细的报道，为新型光致发光功能化碳基纳米材料的研究提供了思路。

该成果近期发表在Nature Communications上 (IF=11.47 )上，论文链接：Coupling carbon nanomaterials with photochromic molecules for the generation of optically responsive materials（非原网页读者，请到材料牛下载）

该文献解读由材料人科普团队学术组CrazySnail投稿，材料牛编辑整理。

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