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羅馬兩面神(Janus)材料具有兩個不同化學結構或性質的表面,將導致特殊的雙重性質,如親水/疏水、極性/非極性等,是化學與材料科學領域的重要研究方向之一。如何設計全新的Janus材料並實現其普適性和可控性的製備是其中的關鍵問題。單層石墨烯具有自支撐的大分子結構,其所有原子均分佈於表面,是製備二維Janus結構的理想模型。
針對化學惰性的石墨烯,北京大學化學與分子工程學院劉忠範-彭海琳課題組開拓了“石墨烯的光化學能帶工程”的方法(Small 2013),利用光化學誘發的活性自由基實現了石墨烯的化學修飾和能帶調控,建立了石墨烯光催化剪紙技術(JACS 2011, 133, 2706)、光氯化加成(ACS Nano 2011, 5 , 5957; Small 2013)和光致甲基化等新方法。最近,該課題組利用石墨烯的光化學反應,並結合聚甲基丙烯酸甲酯的輔助轉移技術(JACS 2008, 130, 12612),實現了單層石墨烯上下表面的非對稱共價修飾,首次成功製備了迄今爲止最薄的二維非對稱結構— Janus石墨烯。該結果最近以全文的形式發表在《自然》系列雜誌《自然—通訊》上(Nature Commun. 2013, 4, 1443)。
Janus石墨烯將具有高度各向異性和特殊的二維表界面性質。研究發現,由於修飾基團的極性差異,Janus石墨烯上下兩面表現出不同的表面浸潤性。此外,石墨烯一側的基團修飾對另一側的化學反應性影響顯著,這爲研究非對稱二維化學反應提供了理想平臺。該工作是石墨烯化學修飾領域的一項重要進展,對基於石墨烯衍生物的新型傳感器件、碳基材料表面活性劑的研製以及石墨烯共價修飾的理論研究也有積極意義。
上述工作得到了國家自然科學基金(項目資助號:20973013, 51121091)等資助。
(來源:中國政府網)