为石墨烯材料应用铺路 -——石墨烯微结构调控及其表面效应研究

本报记者 陈菲,由上海大学完成的石墨烯微结构调控及其表面效应研究项目聚焦于石墨烯及其衍生物微纳结构的制备、尺寸及表面特性的系统调控，拓展石墨烯材料的功能及其应用领域，为新型石墨烯材料在光电器件、生物医学、环境及能源技术等领域的应用奠定坚实基础。该项目获得了2018年国家自然科学二等奖。

该项目发现了胶态石墨烯量子点的微结构调控及其新效应，项目组聚焦于胶态石墨烯材料，特别是超小石墨烯量子点的横向尺寸和官能团调控新方法，发现由尺寸、缺陷和官能团诱导的新效应，并揭示其机理。

该项目主要的创新点包括：基于“解开拉链”的化学裁剪原理，首次制备了胶态荧光石墨烯量子点，促进石墨烯量子点在胶体化学、光电子学和纳米生物学等学科上的快速发展；首次发现了石墨烯的蓝色荧光，并揭示其缺陷发光机理；基于“分子融合”的化学合成原理，首次制备了单晶结构的胶态石墨烯量子点，实现了量子点的尺寸和边位官能团的系统调控以及近全色的荧光调控，揭示了带边激子态发光机制；发现胶态氧化石墨烯具有高的生物安全性，极高浓度下细胞毒性具有尺寸依赖性。

该项目还发现了石墨烯的层数和组分调控及其新效应。项目组聚焦于石墨烯的层数、层间组分、面上和面内组分的调控，发现这些调控产生的光电、储能和吸附效应。在石墨烯的层数调控及其超快光子学效应、石墨烯面内缺陷调控及诱导的附加储锂效应，以及面上对金属离子的超高吸附及诱导的折叠效应等方面有突出的创新。

此外，该项目还基于石墨烯建模发现了石墨烯生物效应的分子机制。项目组针对单靠实验研究难以准确揭示石墨烯表面活性分子机制的难题，发展了高效的分子动力学模拟方法，有效模拟了氧化石墨烯复杂表面结构及其形成机制。而且，他们建立的分子动力学模型还重点模拟了石墨烯与生物体表界面n

存在的具有复杂动态特征的时空效应，发现了纳米石墨烯破坏细菌细胞膜屏障的一种新机制，揭示了纳米石墨烯与细胞膜、水介质的氢键网络三者之间存在着复杂动态的表界面相互作用。

项目组在石墨烯纳米结构的可控制备与表面特性调控方面取得了一系列创新性成果，并受到国内外同行的广泛认同。项目成果在量子点科技、生物医药、 能源环境等领域产生了重要的学术影响。8篇代表论文均入选ESI 高被引论文，项目团队在石墨烯量子点的可控制备及生物应用方面获得2015年上海市自然科学一等奖，项目第一完成人还获得2017石墨烯学术杰出贡献奖。