华南师大王耀教授课题组 CEJ：利用红外二氧化碳激光直写技术在聚合物涂层中快速原位光化学合成碳点以实现颜色可调的荧光图案化

文摘 2024-12-31 14:10 北京

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传统的荧光图案制备方法，如喷墨打印、丝网印刷等，往往需要使用有毒性的化学物质，并且难以实现多种荧光颜色同时在同一图案上的呈现。而碳点作为一种新型的荧光材料，具有低毒性、光学性能可调、光稳定性好等优点，为开发新型荧光图案提供了新的思路。

据此，华南师范大学王耀教授课题组通过巧妙地设计多层聚合物薄膜结构，并利用CO₂激光在空气中直接诱导碳点前驱体发生光化学反应，实现了在同一图案上制备出蓝色、黄色、橙色等具有多种荧光颜色。该方法只需要将碳点前驱体与聚合物混合，并通过CO₂激光进行直接书写即可。绘制线宽精度可达300μm，所使用的材料均为无毒或低毒性物质，对环境友好符合未来绿色防伪的发展方向。

2024年12月19日，相关研究成果发表于国际期刊《Chemical Engineering Journal》上，题为“Rapid in situ photochemical synthesis of carbon dots in polymer coating by infrared CO2 laser writing for color tunable fluorescent patterning”（DOI: 10.1016/j.cej.2024.158749）。课题组郭媛媛老师为论文第一作者，王耀教授为通讯作者，华南师范大学为第一完成单位。

图1. 利用CO₂激光在掺杂的PVA聚合物膜和水凝胶表面绘制不同荧光颜色的方块图案。

研究团队发现，利用CO₂激光可以在基于PVA材料的不同性能的材料表面绘制荧光图案。通过将碳点前驱体柠檬酸、脲硫以及尿素与10 wt%PVA溶液混合，利用不同的工艺分别制备含有碳点前驱体的PVA聚合物膜和PVA水凝胶。再使用激光直写既可以通过调节激光参数，达到在不同材料性能表面可控制备荧光图案的绘制（图1）。所制备的带有荧光图案的PVA水凝胶膜具有很好的粘附性和拉伸性能，有望用于智能穿戴领域的防伪。另外，含有碳点前驱体的PVA溶液可作为涂料涂敷在药品包装或者织物上，同样也可以使用激光在具有涂层的物品表面绘制荧光防伪标识，具有一定的普适性。

进一步通过多层膜叠加的制备工艺构建复合膜结构，通过控制膜层结构、调节激光参数可以实现一步绘制彩色荧光图案（图2）。通过对荧光图案以及其中碳点的光学性能的研究结合元素分析等手段，研究人员发现，S元素的掺杂会导致荧光图案的蓝衣，相对的S元素的掺杂会导致荧光图案红移，掺杂的量和荧光的颜色直接相关。

图2. 激光直写绘制彩色荧光图案及其性能。

结合碳点结构特点的分析和激光直写过程中的光化学热动力学分析，还发现，碳点与聚合物之间的氢键相互作用可以促进碳点的生成、均匀分散和稳定，从而提高荧光图案的绝对量子产率（图3）。

图3. 荧光图案中碳点的光学性能。

图4. 荧光图案中碳点与聚合物之间的氢键左右关系以及激光直写过程中的光化学热动力学分析。

这项研究成果为开发新型防伪材料和多功能光电器件提供了新的思路，具有重要的学术意义和应用价值。该团队将继续优化该方法，进一步提高荧光图案的颜色种类和图案精度，并将其应用于更多领域，如信息安全、生物医学等。

本研究工作得到了国家自然科学基金、“111计划”、广东省光信息材料与技术重点实验室、广东省教育厅创新团队和广州市科技计划等项目的支持。

周国富教授团队青年拔尖引进人才王耀教授领导的先进信息材料（AIM）课题组近三年在光、电、气体和温度等响应型功能信息和智能传感材料研究方面取得了一系列重要突破，近三年已在《ACS Nano》、《Advanced Functional Materials》、《Advanced Science》、《ACS Applied Materials & Interfaces》、《ACS Sensors》等国际知名期刊上发表30余篇原创性学术论文，提高了华南师范大学在功能信息和智能传感材料领域的国际影响力。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158749

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