近期,中科院合肥研究院固體所徐文研究員課題組與重慶醫(yī)科大學(xué)超聲醫(yī)學(xué)工程國家重點實驗室合作,利用自主研制的“球形聚焦集聲系統(tǒng)”,開展了碳納米點對聲致發(fā)光效應(yīng)影響的研究。觀測到碳納米點對聲致發(fā)光具有明顯的調(diào)制作用,可使水中的藍-紫色發(fā)光調(diào)制為橙色發(fā)光,其調(diào)制效應(yīng)可肉眼分辨。相關(guān)研究成果以“Influence of carbon nano-dots in water on sonoluminescence”為題發(fā)表在Nanoscale上。
在聲場作用下,液體如純水中會發(fā)生空化,形成氣泡。氣泡在正、負交替的聲壓驅(qū)動下緩慢膨脹、快速塌縮并發(fā)出光脈沖,此現(xiàn)象為聲致發(fā)光。該過程可通過氣泡將聲能積聚并轉(zhuǎn)換為光能,為聲學(xué)領(lǐng)域的重要實驗現(xiàn)象。但目前,對聲致發(fā)光機理的認識仍未完全清晰。研究認為,在聲空化以及氣泡膨脹和塌縮過程中產(chǎn)生的羥基自由基是純水中聲致發(fā)光的關(guān)鍵要素。而碳納米點作為一種表面具有豐富化學(xué)基團且表面化學(xué)活性較強的納米材料,常被用作自由基捕獲體。
鑒于此,研究人員利用碳納米點對聲致發(fā)光實驗中的羥基自由基進行調(diào)制,使聲致發(fā)光波長發(fā)生了顯著變化。通過聲致發(fā)光光譜分析、光脈沖信號時間分辨測量,及對超聲作用前后碳點的物理、化學(xué)特性表征分析,證實了碳納米點對水中聲致發(fā)光的影響主要是通過碳納米點與羥基自由基的耦合產(chǎn)生。該研究結(jié)果為深入理解聲致發(fā)光的微觀機理提供了新研究方法。
此外,超聲處理是碳納米材料制備過程中常用的方法。該研究發(fā)現(xiàn)聚焦超聲作用可使碳納米點的碳核尺寸變小、碳核結(jié)晶更好、碳點分散更均勻。而超聲誘導(dǎo)的化學(xué)效應(yīng)可使碳點表面的基團被氧化,形成了更多的羧基。上述研究結(jié)果有助于進一步設(shè)計、優(yōu)化熒光碳點的合成、調(diào)控及應(yīng)用。
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金的支持。
文章鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/nr/d1nr02194j。
圖. (a)純水和碳納米點溶液(CNDAS)中聲致發(fā)光的普通相機拍照照片,分別為藍-紫色和橙色;
(b)對應(yīng)的聲致發(fā)光光譜(藍、紅點)用黑體輻射公式(實、虛線)擬合,并獲得對應(yīng)的黑體輻射溫度Tb。
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