탄소 양자점

Carbon quantum dots
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나노소재
C60-rods.png
탄소 나노튜브
풀레레네스
기타 나노입자
나노 구조 재료

탄소 양자점(CQD, C-dots 또는 CD)은 작은 탄소 나노입자(크기 10nm 미만)로 표면의 통과 형태를 띠고 있다.[1][2][3]

역사

CQD는 2004년 슈 외 연구진에 의해 단벽 탄소 나노튜브의 정화 과정에서 우연히 처음 발견되었다.[4] 이 발견은 CQD의 형광 특성을 이용하기 위한 광범위한 연구를 촉발했다. CQD의 합성, 특성 및 적용에서 많은 진전이 이루어졌다.[1][5]

새로운 종류의 형광 탄소 나노물질로서, CQD는 높은 안정성, 우수한 전도성, 낮은 독성, 환경 친화성, 단순한 합성 경로뿐만 아니라 양자점에 필적하는 광학적 특성을 가지고 있다.[6] 탄소 양자점은 특히 바이오의약품, 광전자, 촉매,[7] 감지 등에 응용할 수 있는 강력하고 조정 가능한 형광 방출 특성 때문에 광범위하게 연구되어 왔다.[8]

다른 전구체로부터 준비된 탄소 점: 요소, 알라닌, 자크로스(팔리엔코 콘스탄틴에서 제조)

CQD의 형광 기능을 담당하는 근본적인 메커니즘은 매우 논의되고 있다. 어떤 저자들, 그 점들의 핵심과 전자 전환, 양자 감금 effects,[9][10]에 의해 영향을 받에서 방출이 발생하는 반면 다른 작품들보다는surface-trapped charges,[11][12]의 재조합하거나 for 제안한 형광 귀속되고 있음을 시사하는size-dependent 형광 속성 증거를 제공했다.결합 m 핵심 전자 상태와 표면 전자 상태 사이에서.[13] CQD의 흥분 의존형 형광성은 그들의 특징적인 배출 가감성으로 이어지며, 일부 작품에서는 비정상적으로 느린 용제 이완에서 생기는 카샤의 규칙 위반으로 설명하였지만, 다분해성 때문에 배출 특성의 비균형 분포와 대부분 연계되어 왔다.[14][13][15]

CQD의 속성

CQD의 구조와 구성요소는 다양한 특성을 결정한다. CQD 표면의 많은 카복실 모이에티는 물과 생체적합성이 우수하다.[7] 그러한 표면 모이티는 CQD가 나노입자를 전도하는 양성자 역할을 할 수 있게 한다.[16] CQD는 또한 다양한 유기, 중합체, 무기물 또는 생물학적 물질로 화학적 수정과 표면 통과에도 적합하다. 표면 패시브레이션에 의해 CQD의 물리적 특성뿐만 아니라 형광 특성도 강화된다. 최근 아민과 수산화산 기능화 CD는 pH 환경이 다른 도입 시 삼색(녹색, 황색, 적색) 방출이 가능하고, 이 삼색 방출은 ORMOSIL 필름 매트릭스에 보존할 수 있다는 사실이 밝혀졌다.[17] 2019년에 발표된 논문은 CQD가 800 °C의 고온에도 견딜 수 있다는 것을 보여주었고, 고온 환경에서 CQD를 적용할 수 있는 길을 열었다.[18] 탄소 기반 CQD는 전도성이 우수하고 화학적 구성이 양호하며 광화학 및 열 안정성이 우수하다.[citation needed]

CQD 합성

CQD에 대한 합성 방법은 대략 "하향식" 경로와 "상향식" 경로의 두 범주로 나뉜다. 이것들은 화학적, 전기 화학적 또는 물리적 기법을 통해 달성될 수 있다.[7] 획득한 CQD는 준비 또는 사후 처리 중에 최적화될 수 있다.[1] CQD의 수정은 용해성과 선택된 용도에 필수적인 양호한 표면 특성을 얻기 위해서도 매우 중요하다.[1]

합성 방법

'톱다운' 합성 루트는 레이저 절제, 아크 방전, 전기화학 기법을 이용해 흑연, 탄소 나노튜브, 나노다이아몬드 등 더 큰 탄소 구조를 CQD로 분해하는 것을 말한다.[7] 예를 들어 저우 외에서는 CQD의 합성에 전기화학적 방법을 먼저 적용하였다.[19] 그들은 탄소 종이에 다벽 탄소 나노튜브를 배양한 다음, 탄소 종이를 제거된 아세토니트릴과 0.1M 테트라부틸 암모늄 과염소산염을 포함한 전해질을 포함하는 전기화학 세포에 삽입했다. 이후 CNT를 절단하거나 CNT를 기능 패턴으로 조립할 때 이 방법을 적용하여 탄소 나노구조 조작 시 이 방법의 다목적 콜러빌리티를 입증하였다.[20][21]

"상향식" 합성 루트는 탄수화물, 구연산염, 폴리머 실리카 나노복합체 등 작은 전구체의 CQD를 열수/태양온 처리, 지원되는 합성 루트와 마이크로파 합성 루트를 통해 합성하는 것을 포함한다.[22] 예를 들어 주 외에서는 폴리(에틸렌 글리콜)와 사카라이드 용액을 500W 전자레인지에 2분에서 10분 동안 가열하여 CQD를 준비하는 간단한 방법을 설명했다.[23]

최근에는 CQD 제작에도 녹색 합성 접근법이 채택되고 있다.[24][25][26][27][28]

사이즈 조절

특정 애플리케이션과 정비학 연구에 대한 통일된 특성을 달성하기 위해서는 공정 준비 중 또는 사후 처리를 통해 CQD의 크기를 제어하는 것이 매우 중요하다.[1]

대다수의 보고서는 여과, 원심분리, 컬럼 크로마토그래피, 젤 전기 등 사후 처리를 통해 유사 CQD 파편을 정화하는 과정을 입증했다.[1]

후처리 외에도 준비과정에서 CQD의 크기를 조절하는 것도 널리 사용된다. 예를 들어, Ju 등은 구연산 전구체의 침투를 통해 친수성 CQD를 보고하였다.[23] 공기 중 2시간 동안 300℃에서 CQD를 열화합한 후 실리카를 제거한 후 투석을 한 후, 낮은 독성, 우수한 발광성, 우수한 광신성, 업변환성 특성을 보이는 1.5~2.5nm의 균일한 크기의 CQD를 준비했다.[23]

수정

새로운 형태의 형광 나노입자로 CQD 적용은 생물학적·환경 친화적 구성과 우수한 생체적합성 때문에 바이오이미징과 바이오센싱 분야에 있다.[1] 기존 반도체 퀀텀닷과의 경쟁에서 살아남기 위해서는 높은 양자 수율을 달성해야 한다. 최대 80%의 양자 수율을 갖는 CQD의 좋은 예가 합성되었지만,[29] 합성된 양자 점의 대부분은 지금까지 양자 수율이 10% 미만이다.[7] 양자 수율을 향상시키기 위해 일반적으로 수정을 위한 표면 통과 및 도핑 방법이 적용된다.

CQD의 표면이 환경에 의해 오염되는 것을 방지하기 위해 표면 패시브레이션을 수행하여 표면 오염이 광학적 특성에 미치는 해로운 영향을 완화한다.[30] 산으로 처리된 CQD 표면에 중합체 물질을 부착하여 표면 통과를 달성하기 위해 얇은 절연층이 형성된다.[7]

표면 패시브레이션과 더불어 도핑은 CQD의 성질을 조정하는 데 사용되는 일반적인 방법이기도 하다. CQD의 성질을 조정하는 데 N,[31] S,[32] P와[33] 같은 원소를 가진 다양한 도핑 방법이 시연되었는데, 그 중에서도 N 도핑은 광 발광 방출 개선 능력이 뛰어나 가장 일반적인 방법이다.[34] 질소 도핑이 CQD의 형광 양자 수율을 향상시키는 메커니즘과 N이 많이 적용된 CD의 구조는 문헌에서 매우 논쟁적인 이슈들이다.[35][36] 저우 외 연구진은 전기 화학적으로 생성된 탄소 QDS에서 전자 구조와 발광 메커니즘을 조사하는데 XANES와 XEOL을 적용했고 N 도핑이 거의 확실히 파란색 발광에 책임이 있다는 것을 발견했다.[37] CD를 기반으로 한 새로운 나노콤포사이트의 합성은 특이한 성질을 가지고 보고되었다. 예를 들어, 새로운 나노콤포사이트는 CD와 자기 FeO34 나노입자를 나노체 활성의 전구체로 사용하여 설계되었다.[38]

적용들

고유한 특성을 가진 CQD는 바이오의약품, 광전자, 촉매 및 센서[1] 분야에서 큰 잠재력을 가지고 있다.

낮은 독성과 우수한 생체적합성 등 우수한 성질을 보유하면 생체이미징, 바이오센서, 약물전달에 유리한 소재가 된다.[1] CQD는 뛰어난 광학 및 전자적 특성을 바탕으로 촉매, 센서, 광전자에서도 응용 분야를 찾을 수 있다.[1]

바이오이미징

CQD는 형광물질 배출과 생체적합성 때문에 생체이미징에 사용할 수 있다.[39] CQD가 함유된 용제를 생체에 주입하면 검출이나 진단 목적으로 생체내 영상을 얻을 수 있다. 한 가지 예는 유기 염료-콘크루드 CQD가 HS를2 위한 효과적인 형광 탐침으로 사용될 수 있다는 것이다. HS의2 존재는 유기 염료 결합 CQD의 파란색 방출량을 녹색으로 조정할 수 있었다. 그래서 형광 현미경을 사용함으로써 유기 염료 콘주름 CQD는 생리학적으로 관련된 HS2 수준의 변화를 시각화할 수 있었다.[7]

감지

바이오센싱은 바이오센서 캐리어로서도 CQD가 적용되었는데, 바이오센서 캐리어로서 변경의 유연성, 물 속 용해성, 무독성, 우수한 광자성, 우수한 생체적합성 등이 적용되었다.[1] CQD 및 CQs 기반 재료에 기반한 바이오센서는 세포 구리,[40] 포도당,[41] pH,[42] H2O2 및 핵산의 미량 모니터링에 사용될 수 있다.[43] 일반적인 예는 핵산 횡류 검사에 관한 것이다. 그 amplicons에 대한 차별 태그 각자의 항체와 형광 신호를 첨부 CQDs.[7]더에 의해 일반적으로 제공된에 의해 인정 받고 있어 CQDs의 형광 물질로 효율적으로 pH,[44]지역 polarity,[13]와 금속 이온의 solution,[45]에 더 nanosensing applic 팽창합니다가 만나는 곳에 대응한다.에서 ations,[46]오염 물질 분석의 [47]입장

약물전달

CQD의 무독성 및 생체적합성은 의약품 캐리어, 형광 트레이서 및 약물 방출을 제어하는 바이오의약품에 광범위하게 적용할 수 있게 해준다.[48][49][50][27] 이는 암세포를 파괴하기 위한 광역학 치료에서 CQD를 광센서제로 사용한 것이 그 예다.[51]

카탈루션

다양한 그룹 CQD로 기능화의 유연성은 서로 다른 파장의 빛을 흡수할 수 있게 해 광투석 시 응용할 수 있는 좋은 기회를 제공한다. CQD를 수정한 P25 TiO2 복합 재료는 UV-Vis로 조사 시 광촉매 H2 진화가 개선되었다. CQD는 P25 전자홀 쌍의 분리 효율을 향상시키기 위해 전자의 저장장치 역할을 한다.[52]

옵트로닉스

CQD는 염료감응형 태양전지,[53] 유기태양전지,[1] 슈퍼캐패시터,[54] 발광장치 등의 재료로 기능할 수 있는 잠재력을 갖고 있다.[55] CQD는 염료감응형 태양전지에서 광센시제로 사용할 수 있으며 광전 변환 효율이 크게 향상된다.[56] CQD가 통합된 하이브리드 실리카 기반 솔은 투명한 형광 페인트로 사용될 수 있다.[57]

로켓연료

최근 하이브리드 로켓 연료에 CQD가 채용되고 있다.[58]

지문 복구

CQD는 잠복 지문의 증진을 위해 사용된다.[59]

참고 항목

참조

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추가 읽기

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