光的应用推动着人类现代文明的进步。随着科技的发展,人们对光相关的技术成果的依赖与日俱增。传统的发光材料,如稀土、有机染料、金属配合物等,存在资源有限、价格昂贵、合成困难、稳定性差等缺点,尤其是环境与生态不相容问题束缚了其长远发展。

发光纳米材料在纳米科学与技术的发展中应运而生,并得到了迅猛发展。研究人员尝试采用纳米技术手段合成全新的发光纳米材料,以拓展发光材料的种类并解决传统发光材料存在的问题。该领域目前已取得一定的研究成果,制备出包括半导体纳米晶（量子点）、金属纳米簇、共轭聚合物点等不同类型的发光纳米粒子。其中,量子点更是引领了全球的显示技术从OLED转向QLED的革命,证明了发光纳米材料优异的性能及其代替传统发光材料实现应用的可行性。但一些量子点中含有毒金属元素,使用时受到一定限制。因此,开发一种性能稳定、环境友好、生物相容、易于大规模生产的新型发光纳米材料显得至关重要。

碳材料如石墨、金刚石、富勒烯、碳纳米管和石墨烯等,因具有储备丰富、低毒环保等特点,一直是材料科学领域关注的重点。宏观的碳材料缺少合适的带隙,自身很难开发成为一种理想的发光材料。研究人员尝试各种可能的方法赋予碳材料发光性质,并于2004年首次从碳纳米管的裂解物中提取出了荧光碳纳米颗粒。此后,碳点类材料受到越来越广泛的关注,近几年尤呈爆发式增长,其概念也发生了较明显的拓展。人们通过“自上而下”法氧化裂解石墨基碳材料,或通过“自下而上”法聚合多官能度前驱体,调控了碳材料的结构和表面化学性质,赋予其纳米尺寸和优异的发光性能,并成功制备了一系列具有全光谱发射,高量子效率,且性能稳定的荧光碳点。随着研究的深入,人们发现碳点作为一类新型发光纳米材料,具有特殊且复杂的发光特性。长期以来,研究人员围绕“碳点是什么”,“为什么发光”进行了较深入的讨论,提出了多种发光机理的解释。然而,很多发光理论具有很大的局限性和缺少统一化标准,这无疑在很大程度上限制了碳点领域的发展。因此,对于碳点的系统分类和发光机理的总结概括显得尤为重要。

2015年,Nano Research第8卷第2期355-381页发表了由我们课题组撰写的题为“The photoluminescence mechanism in carbon dots (graphene quantum dots, carbon nanodots, and polymer dots): current state and future perspective”的综述文章,文中对碳点类材料的荧光机理的归属和预测在国际荧光碳材料领域引起广泛关注。我们明确指出,“碳点”是对这一类荧光碳材料比较概括性的一个定义。广义上讲,碳点是指尺寸小于20纳米的具有荧光性质的碳颗粒。碳点的化学结构可以是sp²和sp³的杂化碳结构,具有单层或多层石墨结构,也可以是聚合物类的聚集颗粒。具体来说,碳点包括石墨烯量子点、碳纳米点和聚合物点。石墨烯量子点是指具有单层或小于5层石墨烯的碳核结构及边缘键连的化学基团。石墨烯量子点的尺寸具有典型的各向异性和碳晶格结构,横向尺寸大于纵向的高度;碳纳米点通常是球状结构,可以分为晶格明显和无晶格的碳纳米点;聚合物点通常是从非共轭聚合物通过脱水及部分碳化形成的交联柔性聚集体,不存在碳晶格结构。更重要的是,该综述文章从纷繁复杂的研究工作中,整理归纳出四种合理的发光机理：受量子尺寸效应或共轭π域结构影响的碳核态,由碳骨架和相连化学基团杂化决定的表面态,仅由连接在表面或内部的有机荧光团控制的分子态,以及交联增强发射（CEE）效应。这打破了碳点领域中发光机理众说纷纭的局面,为后续的研究工作奠定了理论基础。我们在该文章中对于碳点发光机理的归纳总结对该领域的发展产生了重大的影响,指导了该领域的荧光机理归属。在2014–2018年物理学领域研究论文中获得引用数最多的中国学者论文排名的第6名,SCI引用800余次。我们提出的分子态已被证实是碳点最常见的发光中心之一,多个研究组成功制备了发射波长覆盖可见光及近红外波段的分子态发光碳点。

除了对碳点分类和发光机理的成功总结概括外,此前我们在发展碳点的制备方法上同样取得了重大研究进展。2011年,我们提出了溶剂热法裂解氧化石墨烯,以制备绿色强荧光发射的石墨烯量子点（Chem. Commun., 2011, 47, 6858-6860,SCI引用900余次）。该工作发展了“自上而下”制备碳点的方法,同时获得了较好的发光性能。2013年,我们以小分子柠檬酸和乙二胺为原料,采用一步水热法制备具有高量子效率、高产率的碳点（Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 3953 -3957,SCI引用1 800余次）。该工作提出并验证了“自下而上”法制备高亮碳点的可行性,引领碳点进入新的合成时代。

近期的研究结果表明,由小分子前驱体制备的碳点具有更丰富且优异的性能。因此,我们对“自下而上”合成过程进行了系统的研究,并进一步深化了对碳点的认识。我们强调“交联聚合”和“脱水碳化”对碳点形成和性质的重要影响,提出了“碳化聚合物点”的概念。同时,在原有工作的基础上,我们从合成和结构角度,优化了碳点的分类：石墨烯量子点、碳量子点、碳化聚合物点（图1）。提出了从分子、聚合物及量子点等角度理解碳点类材料,同时明确了交联增强发射效应的重要作用,并依此开发了具有近红外荧光、双光子荧光、室温磷光等不同发光性质的碳化聚合物点。

我们认为碳化聚合物点是研究和发展碳点类材料的核心,也是对于“自下而上”法制备碳点的真实结构最为准确的定义,未来更多的研究力量应集中在碳化聚合物点的制备和应用方面。首先,该类材料的主要构成元素为碳,具有良好的化学稳定性和生物相容性,有望从根本上解决传统荧光材料在光稳定性和毒性方面的弱点,被认为是最有前景的荧光材料之一。其次,碳化聚合物点的合成原料来源广泛,种类丰富,价格低廉,包括富含氨基、羧基、羟基等活性基团的有机小分子、高分子以及生物质等。此外,多种简单易行的制备方法,如水热法、溶剂热法或微波法等均被证实是合成碳化聚合物点的有效方法。实验表明,碳化聚合物点并非完全的石墨化结构,其内部应为高度交联的网状结构,外部保有大量亲水的柔性聚合物链和官能团。这种特殊的结构既赋予碳化聚合物点良好的分散性,同时又易与不同的功能材料形成杂化复合,从而实现性能的强化与集成（图2）。

优异的性能和特殊的结构赋予了碳点无限的魅力和多样的变化,同样也提高了人们认识、理解和使用它的难度。因此,发展一套全面而完善的理论体系,有利于正确定位、评价与调控该类发光材料。我们仍需解决碳点机理研究方面几个关键的科学问题。首先,表面“不确定”的化学基团决定碳点是一类“不确定”的材料,开发有效的大规模生产高质量碳点的方法仍然是一个较大的挑战。如果在合成过程中实现对碳点的化学结构的精确调控,则更容易理解明确的发光机理。其次,研究人员应该开发有效的表征手段来确认发光中心或发光机理。由于研究不充分,许多已报道的碳点的发光中心存在模糊甚至错误。第三,虽然现有碳点的多样性增加了系统研究的难度,但发光机理对于这些类型的碳点是相似的。因此,将不同的碳点归类,并进行系统的比较分析将是非常有用的研究手段。进一步明确发光机理,依此调节尺寸与结构,将极大地提高碳点的应用性能,同时拓展更广阔的应用领域。

作为一类新型纳米功能材料,碳点的未来发展之路任重而道远。可喜的是,我国是最先一批开展碳点研究的国家,国内多个研究团队在碳点的各大重要发展阶段取得了开创性的进展,并始终保持着国际顶尖水平和引领地位。学术层面,我国碳点相关论文的发表数量远超其他国家,中国的科研工作者对碳点研究做出了重大贡献;政策层面,随着国家发展的需要和碳点研究的不断深入,碳点产业化进程将不断推进,相关研究也必将纳入国家各类重大研究计划,为碳材料家族赢得更多的荣誉。结合当下的科研现状及资源环境对材料发展提出的更高要求,碳点势必会在未来的新材料领域绽放异彩。