纳米材料在生物医学、光学、电学、能源催化等领域显示出良好的应用前景。但其固态器件化通常导致其性能降低，特别是对于光功能复合和杂化材料存在团聚堆积、宏观相分离、透明性降低等瓶颈问题，从而难以实现掺杂浓度可控和高性能应用。虽然采用各种方法(如包覆、分散剂、分子间作用等)，功能材料在透明基质中掺杂浓度仍然局限于 1 %以内，通常小于0.1%。实现光功能材料在透明固体玻璃基质中共价链接、高浓度和任意掺杂具有重要的理论意义和应用价值。采用主客体之间共价键强化学作用对于制备高透明杂化复合材料至关重要。尤其是，高分子科学的发展表明，共聚合可以同时保证高浓度和任意均匀掺杂，保持客体的高性能。但是目前实现无机纳米材料可聚合非常困难，报道极少。

  近年来，科研工作者发现了一种新型荧光纳米材料——可聚合硅烷功能化碳点（SiCDs），可以克服上述缺点。中国科学院理化技术研究所谢政研究员和济南大学关瑞芳教授等在Small上发表了题为“Silane-Functionalized Carbon Dots and Their polymerized Hybrids From Optoelectronics to Biotherapy”的前瞻综述文章，并被选为内封底。文章综述了SiCDs与有机硅烷之间的联系、制备方法、典型应用和前景展望。

图1. SiCDs结构组成及其功能示意图

  SiCDs按功能可分为三个部分：碳点核心、功能连接基团（Y基团）和硅烷基团（X基团）。首先，SiCDs保留了碳点几乎所有的代表性性能。表面接枝的硅烷赋予SiCDs更加出色的偶联杂化功能。Y基团源自硅烷前驱体预留的-NH、-SH或者-C-C-等功能基团，使得SiCDs能够连接各类功能分子和材料。X基团是烷氧基硅基部分，起到偶联和杂化作用。文章认为，基于这种特殊的结构，SiCDs也可以称为碳点功能化的硅烷偶联剂，理论上能够与多种有机、高分子、生物、纳米等功能分子和材料偶联形成新型纳米杂化材料，进而开拓更广阔的应用空间。例如：SiCDs本身就可以自聚构建反蛋白石光子晶体，实现了非线性光限幅和三色荧光防伪图案等应用。SiCDs还可以通过硅氧键与金纳米棒键合连接，具有生物诊疗的潜在应用。此外，SiCDs可以与三异氰酸酯共价连接，以增强SiCDs基气凝胶整体的机械性能。同时，基于SiCDs对模板分子具有显著的渗透性，可使用SiCDs构建分子印迹聚合物，达到0.02 mg/L的低检出限(图2)。

图2. 基于SiCDs的聚合纳米杂化功能材料a)光子晶体；b)气凝胶与三异氰酸酯的连接；c)分子印迹聚合物

图3硅烷功能化碳点的性质及其应用领域示意图

  更为重要的是，SiCDs通常采用一步法制备，碳点的形成和硅烷功能化同时完成。这种原位预功能化技术使碳点纳米粒子上可链接很多硅烷功能基团，从而实现可任意聚合和均匀掺杂，无团聚相分离，更能保持性能和提高浓度。上述X和Y基团都可以实现聚合。基于可聚合和溶胶凝胶体系的优势，SiCDs能够实现多类任意体系(图3-4)：1) 与和水大部分溶剂实现0-100%任意浓度的混溶；2) 在室/低温条件下与各种硅烷和有机硅化合物实现0-100%任意浓度的共聚/自聚; 3) 含氧高分子等实现0-100%任意浓度的共混；4) 固态下的荧光量子产率能够达到0-96%调控，远高于液态；5) 硅烷碳点能制备成各种任意固体形态：玻璃、块体、气凝胶、光子晶体、薄膜、粉末、纤维、涂层(玻璃、塑料、陶瓷、金属等多种基体)等，且能够在高掺杂浓度下同时保持较高的透过率和优异的性能。

图4. SiCDs任意体系照片: a)SiCDs在溶剂中的任意混溶; b) SiCDs任意聚合凝胶玻璃；c) 多种SiCDs-凝胶纳米杂化固体结构；d) SiCDs任意聚合气凝胶块体

  因此，SiCDs可以建立一系列任意浓度的碳点溶液体系和共聚杂化固态材料体系，可形成多种固体宏观形态，实现碳点与固体基质的共价键化学连接、分子水平分散和任意浓度掺杂，没有任何团聚和相分离产生(图5)，通过掺杂浓度的变化非常方便实现液固态多种性能调控，从而可以实现掺杂碳点种类、浓度、器件形态和性能应用等方面高度可控。文章还指出，基于同样思路，可以设计制备硅烷化六方氮化硼纳米片、石墨烯、锑烯、金属纳米离子和颗粒等可聚合纳米材料及其透明聚合杂化体系，为纳米杂化材料及其器件制备和应用提供了新理念，显示出巨大的应用潜力。

图5 a)硅烷功能化碳点制备及其聚合过程示意图;  b) 在靠近边缘(左)和内部(右)的SiCDs涂层切片高分辨TEM图像；c) SiCDs自聚合(左)和共聚(右)凝胶玻璃的切片高分辨TEM图像

  文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202105273

  内封底链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202170264