近年來，在材料科學和納米科學領域，將納米粒子組裝成宏觀材料一直是一項重要課題。一般來說，人們通過集成單個納米粒子的光學性質、電學性質和力學性質，來構建功能多樣性的新材料。
目前為止，通過利用不同尺寸、不同形狀和不同組成的納米粒子，以及利用不同納米粒子之間的相互作用，人們已經構建了一些宏觀材料，例如凝膠、干凝膠、超晶格、光子晶體、膠體液晶和玻璃態材料等。
這些由納米粒子組裝而成的宏觀材料，在催化、儲能、電子科學、生物醫學等領域均已得到應用。
對於這些納米粒子的表面來說，它們通常接枝著小配體或短聚合物鏈。對於相鄰的納米粒子來說，這些短鏈會導致它們之間缺乏足夠的鏈間相互作用，以至於由納米粒子組裝的宏觀材料，往往存在脆性大、缺乏柔性、機械性質差等缺點。
這些限制的存在，為利用不同功能的納米粒子製備堅固的宏觀器件帶來了阻礙。對於由納米粒子製備的宏觀材料來說，為了改善它們的力學性能，人們通常會把共價相互作用、或非共價交聯相互作用，使用到材料製備之中。
但是，這些材料往往存在不可回收和不可持續的劣勢。因此，假如在批量製備功能性納米粒子的時候，將它們組裝成可被回收、可被持續加工、機械性質優異的宏觀材料，將有助於探索新的變革性材料。
作為一種新興的納米粒子，碳點（CDs，Carbon Dots）憑藉低毒性、易修飾、環境友好、生物相容性好、易於低成本批量生產、光電和光致發光性能優異等特點，在基礎研究和實際應用中引起了廣泛關注。
目前，當以有機小分子或聚合物作為原料來合成碳點的時候，一般採用自下而上的策略。使用這種方法合成的碳點，表現出典型的核殼結構。除了具有碳化的核之外，這種碳點還具有豐富的官能團、以及短聚合物鏈的殼。
這些官能團或聚合物鏈的存在，有助於碳點的化學修飾，進一步推動了碳點在納米復合材料和功能器件中的發展。
值得注意的是，碳點作為構築基元的宏觀材料將繼承碳點的優良特性，並產生單個碳點所不具有的耦合性能，然而，僅由碳點組裝成的宏觀材料尚未報道。
基於上述背景，吉林大學教授李雲峰課題組開發了一種薄膜材料，它由脲基嘧啶酮（UPy，2-ureido-4[1H]-pyrimidinone）基團修飾的碳點自組裝而來。
圖 | 李雲峰（來源：李雲峰）
研究伊始他們查閱大量的文獻，挑選了合適的碳點和後修飾基團。然後，他們開始嘗試製備 UPy 修飾碳點，並對提純條件加以細化，以及調節接枝的比例，進而對 UPy 修飾碳點進行表征。
接著，課題組開始製備宏觀材料，並對膜材料的形貌進行表征，並測試了材料的溶劑穩定性。
隨後，他們開始表征材料的機械性質，並利用分子動力學來模擬影響材料機械性質的內在因素，最後進行了水塑加工處理，藉此造出了不同螢光顏色的膜材料。
他們發現通過調節 UPy 基團的修飾量，能夠調控碳點之間的相互作用力。這樣一來薄膜不僅可以繼承碳點的螢光性質，並且可以通過摻雜其他碳點，來實現螢光顏色可調的特性。
更重要的是，該薄膜具有自愈性、可回收、力學優異、耐溶劑性等性能，楊氏模量超過 490MPa，斷裂強度超過 30MPa。
經過多次循環利用之後，仍能基本保持原有的機械性能。分子動力學模擬結果表明，這種薄膜的力學性能取決於粒子間和粒子內氫鍵的相互作用。此外，通過環保的水塑法還能把薄膜加工成各種形狀。
總的來說，通過運用分子動力學方法，課題組很好地解釋了碳點內和碳點間氫鍵與材料的應力應變特性之間的關係，為探索基於納米粒子組裝的功能宏觀材料提供了新方法。
相比之下，由傳統納米粒子組裝的宏觀材料，存在易碎、缺乏柔性、機械性質差等諸多限制。而本次薄膜不僅突破了上述限制，也將加速納米材料在實際應用中的發展。
就應用前景來說，本次提出的方法以及薄膜材料，有望用於生物材料、光學塗層、柔性傳感器和軟體機器人等。在相關論文之中，該團隊也初步展示了傳感濕度的概念性應用。
（來源：Nature Communications）
最終，相關論文以《將碳點可重鑄成機械堅固的宏觀材料》（Recastable assemblies of carbon dots into mechanically robust macroscopic materials）為題發在 Nature Communications[1]。
吉林大學博士生隋博文和吉林大學副教授朱有亮副教授是共同一作，吉林大學教授李雲峰擔任通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Nature Communications）
接下來，課題組希望能夠豐富碳點自組裝宏觀材料的種類，以便製備功能更加多樣的碳點自組裝宏觀材料，進一步地開發相關材料的功能，期待最終研發一種能夠服務人類生產生活的創新材料。
參考資料：
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
運營/排版：何晨龍