Ugljične kvantne tačke, koje se često nazivaju i ugljične tačke (skraćeno CQD, C-tačke ili CD), ugljične su nanočestice koje su manje od 10 nm veličine i imaju neki oblik površinske pasivizacije.

Historija CQD su prvi otkrili Xu i ostali 2004. slučajno tokom prečišćavanja jednozidnih ugljičnih nanocijevi. Ovo otkriće je pokrenulo opsežna istraživanja kako bi se iskoristila fluorescentna svojstva CQD-a. Kao nova klasa fluorescentnih ugljikovih nanomaterijala, CQD posjeduju atraktivna svojstva visoke stabilnosti, dobre provodljivosti, niske toksičnosti, ekološke prihvatljivosti, jednostavnih sintetičkih puteva kao i uporedivih optičkih svojstava sa kvantnim tačkama. Ugljične kvantne tačke su opsežno istraživane, posebno zbog svojih jakih i podesivih svojstava fluorescencije, koja omogućavaju njihovu primjenu u biomedicini, optronici, katalizi i sensingu. Kao nova klasa fluorescentnih ugljikovih nanomaterijala, CQD posjeduju atraktivna svojstva visoke stabilnosti, dobre provodljivosti, niske toksičnosti, ekološke prihvatljivosti, jednostavnih sintetičkih puteva kao i uporedivih optičkih svojstava sa kvantnim tačkama. Ugljične kvantne tačke su opsežno istraživane, posebno zbog svojih jakih i podesivih svojstava fluorescencije, koja omogućavaju njihovu primjenu u biomedicini, optronici, katalizi i sensingu.

O fundamentalnim mehanizmima odgovornim za sposobnost fluorescencije CQD-a se vrlo mnogo raspravlja. Neki autori su pružili dokaze o svojstvima fluorescencije zavisne od veličine, sugerirajući da emisija proizlazi iz elektronskih prijelaza sa jezgrom tačaka, pod utjecajem efekata kvantnog ograničenja, dok drugi radovi pripisuju fluorescenciju rekombinaciji površinski zarobljenih naboja, ili su predložili oblik sprege između jezgre i površinskih elektronskih stanja. Fluorescencija CQD-ova zavisna od ekscitacije, koja dovodi do njihove karakteristične emisione prilagodljivosti, uglavnom je povezana s nehomogenom raspodjelom njihovih emisionih karakteristika, zbog polidisperznosti, iako su neki radovi to objasnili kao kršenje Kašinog pravila koje proizlaze iz neobično sporog opuštanja rastvarača.

Svojstva CQD-a link=https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/08/Carbon_dots_prepared_by_Paliienko_K._Kiev_Ukraine.jpg/236px-Carbon_dots_prepared_by_Paliienko_K._Kiev_Ukraine.jpg|mini|236x236piksel|Ugljične tačke pripremljene od različitih prekursora: uree, alanina i saharoze (izradio Paliienko Konstantin) Strukture i komponente CQD-a određuju njihova različita svojstva. Mnogi karboksilni ostaci na površini CQD daju odličnu rastvorljivost u vodi i biokompatibilnost. Takvi površinski dijelovi omogućavaju CQD-ima da služe kao nanočestice koje provode protone. CQD-ovi su također pogodni za hemijsku modifikaciju i površinsku pasivizaciju sa različitim organskim, polimernim, neorganskim ili biološkim materijalima. Površinskom pasivizacijom poboljšavaju se fluorescentna svojstva kao i fizička svojstva CQD-a. Nedavno je otkriveno da CD funkcionaliziran aminom i hidroksamskom kiselinom može proizvesti trobojnu (zelenu, žutu i crvenu) emisiju kada se uvede u različito pH okruženje i ova trobojna emisija može biti sačuvana u ORMOSIL filmskoj matrici. Rad objavljen 2019. godine pokazao je da CQD može izdržati temperature i do 800 °C, otvarajući put za primjenu CQD u okruženjima s visokim temperaturama. Bazirani na ugljiku, CQD posjeduju svojstva kao što su dobra provodljivost, benigni hemijski sastav, fotohemijska i termička stabilnost.

Sinteza CQD-a Sintetičke metode za CQD su grubo podijeljene u dvije kategorije, "odozgo prema dole" i "odozdo prema gore". Ovo se može postići hemijskim, elektrohemijskim ili fizičkim tehnikama. Dobijeni CQD mogu se optimizirati tokom pripreme ili nakon tretmana. Modifikacija CQD-a je također vrlo važna kako bi se dobila dobra površinska svojstva koja su bitna za topljivost i odabrane primjene.

Sintetičke metode Sintetički put odozgo prema dole odnosi se na razbijanje većih ugljikovih struktura kao što su grafit, ugljične nanocijevi i nanodijamanti u CQD pomoću laserske ablacije, lučnog pražnjenja i elektrohemijskih tehnika. Na primjer, Zhou i ostali su prvi primijenili elektrohemijski metod u sintezi CQD-a. Uzgajali su višeslojne ugljične nanocijevi na karbonskom papiru, a zatim su umetnuli karbonski papir u elektrohemijsku ćeliju koja je sadržavala prateći elektrolit uključujući degasirani acetonitril i 0,1 M tetrabutil amonijum perhlorat. Kasnije su ovu metodu primijenili u rezanju CNT-a ili sastavljanju CNT-a u funkcionalne uzorke koji su pokazali raznovrsnost pozivanja ove metode u manipulacijama ugljičnim nanostrukturama.

Sintetički put odozdo prema gore uključuje sintezu CQD-a iz malih prekursora kao što su ugljikohidrati, citrati i nanokompoziti polimer-silika kroz hidrotermalni/solvotermalni tretman, podržavajući sintetičke i mikrovalne sintetičke puteve. Na primjer, Zhu i ostali su opisali jednostavnu metodu pripreme CQD zagrijavanjem otopine poli(etilen glikola) (PEG) i saharida u mikrovalnoj pećnici od 500 W u trajanju od 2 do 10 minuta.

Nedavno su se koristili i zeleni sintetički pristupi za proizvodnju CQD-a.

Kontrola veličine

Osim naknadnog tretmana, kontrola veličine CQD-a tokom procesa pripreme također se široko koristi. Na primjer, Zhu i ostali opisali su hidrofilni CQD kroz impregnaciju prekursora limunske kiseline. Nakon pirolizacije CQD-a na 300 °C 2 sata na zraku, zatim uklanjanjem silicijum dioksida, nakon čega je uslijedila dijaliza, pripremili su CQD ujednačene veličine 1,5-2,5 nm koji je pokazao nisku toksičnost, odličnu luminiscenciju, dobru fotostabilnost i svojstva povećane konverzije.

Modifikacija Budući da je to nova vrsta fluorescentnih nanočestica, primjena CQD leži u području vizualizacije bioloških aktivnosti i otkrivanja ciljnih molekula na temelju principa koje koristi živi sistem zbog njihovog biološkog i ekološkog sastava i odlične biokompatibilnosti. Da bi preživjeli konkurenciju s konvencionalnim poluprovodničkim kvantnim tačkama, trebalo bi postići visok kvantni prinos. Iako je sintetiziran dobar primjer CQD-a sa ~80% kvantnog prinosa, većina sintetiziranih kvantnih tačaka do sada ima kvantni prinos ispod 10%. Metode površinske pasivacije i dopinga za modifikacije se obično primjenjuju za poboljšanje kvantnog prinosa.

Kako bi se spriječilo zagađenje površina CQD-a njihovom okolinom, vrši se površinska pasivizacija kako bi se ublažio štetan utjecaj površinske kontaminacije na njihova optička svojstva. Formira se tanak izolacijski sloj kako bi se postigla površinska pasivizacija vezivanjem polimernih materijala na površinu CQD-a tretiranu kiselinom.

Osim površinske pasivizacije, doping je također uobičajena metoda koja se koristi za podešavanje svojstava CQD-a. Različite metode dopinga sa elementima kao što su N, S, P su demonstrirane za podešavanje svojstava CQD-a, među kojima je N doping najčešći način zbog svoje velike sposobnosti u poboljšanju fotoluminiscencije emisije. Mehanizmi pomoću kojih dopiranje dušikom povećava kvantni prinos fluorescencije CQD-a, kao i struktura CD-a koji su jako dopirani N-om, vrlo su diskutovana pitanja u literaturi. Zhou i ostali primijenili su XANES i XEOL u istraživanju elektronske strukture i mehanizma luminescencije u njihovom elektrohemijski proizvedenom ugljičnom QDS-u i otkrili da je doping N gotovo sigurno odgovoran za plavu luminiscenciju. Zabilježena je sinteza novih nanokompozita na bazi CD-a s neobičnim svojstvima. Na primjer, novi nanokompozit je dizajniran korištenjem CD-a i magnetnih nanočestica Fe 3 O 4 kao prekursora s nanozimetskom aktivnošću.

Primjene link=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6c/Applications.png/363px-Applications.png|mini|363x363piksel|CQD s jedinstvenim svojstvima imaju veliki potencijal u biomedicini, optronici, katalizi i senzorima

Vizualizacija bioloških aktivnosti CQD se mogu koristiti za vizualizacije bioloških aktivnosti zbog njihove fluorescentne emisije i biokompatibilnosti. Ubrizgavanjem rastvarača koji sadrže CQD u živo tijelo, slike in vivo se mogu dobiti za potrebe otkrivanja ili dijagnoze. Jedan primjer je da se CQD konjugirani organskom bojom mogu koristiti kao efikasne fluorescentne sonde za H2S. Prisustvo H2S moglo bi podesiti plavu emisiju CQD-ova konjugiranih organskom bojom na zelenu. Dakle, korištenjem fluorescentnog mikroskopa, CQD-ovi konjugovani organskom bojom su bili u stanju da vizualizuju promjene u fiziološki relevantnim nivoima H2S. Drugi primjer može biti dvostruki način vizualizacije koji koristi njihove vrlo pristupačne površinske funkcionalne grupe da ih konjugira putem EDC-NHS hemije. Saladino i ostali demonstrirali su koncept koristeći MW-potpomognute sintetizirane azotom dopirane CQD-ove nezavisne od pobude. Oni su konjugovani sa nanočesticama rodija – kontrastnim agensima rendgenske fluorescencije – što je dovelo do dualnog nanohibrida sa optičkim i rendgenskim fluorescentnim svojstvima. Štoviše, proces konjugacije ne samo da uzima u obzir dvostruki način vizualizacije, već i pasivizira površinu nanočestica rodija, što rezultira smanjenom citotoksičnošću.

Detektovanje CQD su također primijenjeni u biodetektovanju kao nosioci biosenzora zbog njihove fleksibilnosti u modifikaciji, visoke rastvorljivosti u vodi, netoksičnosti, dobre fotostabilnosti i odlične biokompatibilnosti. Biosenzori zasnovani na materijalima na bazi CQD i CQs mogli bi se koristiti za vizuelno praćenje ćelijskog bakra, glukoze, pH, nivoa u tragovima H2O2 i nukleinske kiseline. Opšti primjer je o testovima bočnog protoka nukleinske kiseline. Diskriminirajuće oznake na amplikonima se prepoznaju po odgovarajućim antitijelima i fluorescentnim signalima koje daju prikačeni CQD. Općenito, fluorescencija CQD-ova efikasno reagira na pH, lokalni polaritet i na prisustvo metalnih jona u otopini, što dodatno proširuje njihov potencijal za primjenu nanosenzivanja, na primjer u analiza zagađivača.

Dostava lijekova Netoksičnost i biokompatibilnost CQD-a omogućavaju im široku primjenu u biomedicini kao nosači lijekova, fluorescentni markeri kao i kontrola oslobađanja lijeka. Ovo je ilustrovano upotrebom CQD-a kao fotosenzibilizatora u fotodinamičkoj terapiji za uništavanje ćelija raka.

Kataliza Fleksibilnost funkcionalizacije sa različitim grupama CQD-a omogućava im da apsorbuju svjetlost različitih talasnih dužina, što nudi dobre mogućnosti za aplikacije u fotokatalizi. CQDs-modificirani P25 TiO2 kompoziti su pokazali poboljšanu fotokatalitičku evoluciju H2 pod zračenjem UV-Vis. CQD služe kao rezervoar za elektrone za poboljšanje efikasnosti razdvajanja parova elektron-rupa P25.

Optronika CQD posjeduju potencijal da služe kao materijali za solarne ćelije osjetljive na boje, organske solarne ćelije, superkondenzatore, i uređaje koji emituju svjetlost. CQD se mogu koristiti kao fotosenzibilizatori u solarnim ćelijama osjetljivim na boje, a efikasnost fotoelektrične konverzije je značajno poboljšana. CQD ugrađen hibridni sol baziran na silicijum dioksidu može se koristiti kao transparentna fluorescentna boja.

Raketna goriva Nedavno su CQD-ovi korišteni u hibridnim raketnim gorivima.

Otkrivanje otiska prsta CQD se koriste za poboljšanje latentnih otisaka prstiju.

Također pogledajte Kvantna tačka Kvantna tačka ugljične nanocijevi Ugljične nanocijevi u fotovoltaici Grafenska kvantna tačka

Reference

Literatura

Kategorija:Alotropi ugljika Kategorija:Kvantne tačke