碳化聚合物点（carbonized polymer dots, CPDs）作为一种零维碳基纳米材料，具有聚合物/碳杂化结构，与石墨烯量子点和碳量子点不同，其不仅展现出碳基光电纳米材料的优越性能，而且具有聚合物特性。CPDs的聚合物特性为其带来了更大优势和应用潜力，近年来CPDs被广泛研究，通过水热、溶剂热、微波辅等过程已合成了种类和性能繁丰的CPDs。然而，大部分报道都聚焦在其构效关系、功能及应用上，而对CPDs形成机制的研究则较为空白，为数不多的探索是通过改变反应时间或温度来观察中间产物的变化进而给出其可能的形成过程。此外，由于高温、高压下的化学反应非常复杂，并且缺乏对封闭合成环境的原位监测技术，这给研究CPDs的形成机制带来了很大困难。由于形成机制等基础问题的研究不够深入，对CPDs结构和性能调控也面临阻碍。到目前为止，CPDs的结构和尺寸可控合成仍然困难。因此，探索CPDs形成机制将为其结构设计和性能调控提供理论依据。
CPDs形成机理示意图（两条形成路线）。
针对上述问题，吉林大学杨柏课题组基于实验数据和理论模拟深入探究了CPDs的形成过程，提出了交联诱导成核碳化（crosslinking-induced nucleation and carbonization, CINC）的形成机制。具体通过改变反应体系中交联剂的含量以改变交联度，详细研究了交联度对CPDs的尺寸、结构和性能的影响。发现没有交联无法形成CPDs，随着交联度的增加，得到了尺寸更大、碳化程度更高的CPDs。根据实验结果，揭示了CPDs的形成过程主要通过两条路线，在两条路线中，交联诱导的微相分离是CPDs粒子成核和形成的关键。形成的微相区更加疏水，使基团间距离更近以增加反应几率，从而促进CPDs的形成及碳化。通过耗散力子动力学模拟分析也验证了交联诱导微相分离的关键假设。此外，通过数学建模和实验相结合，揭示了前驱体的亲疏水性对CPDs尺寸的影响规律。使用更疏水的前驱体会因为微相分离尺度更大而得到更大尺寸的CPDs。这项工作阐明了CPDs的形成机制，为CPDs的结构和性能调控提供了更多的理论支持，尤其是对CPDs尺寸可控的合成。该研究也表明，CPDs的水热合成是一种新的聚合方法，不同于过去用于制备纳米粒子的聚合方法，其中交联和碳化至关重要。相关研究成果以“Very Important Paper”形式发表在Angew. Chem. Int. Ed.杂志（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202410519）。
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