نقاط کوانتومی کربنی (Carbon Quantum Dots, CQDs) به دلیل ابعاد نانومتری، خواص نوری منحصربهفرد، پایداری شیمیایی و زیستسازگاری، توجه زیادی در حوزههای حسگرها، تصویربرداری زیستی، فوتوکاتالیستها و انرژیهای تجدیدپذیر جلب کردهاند [2]. دو مسیر کلی برای سنتز کوانتوم دات کربنی وجود دارد: رویکرد Bottom-up که بر اساس تجمع و کربونیزاسیون مولکولهای کوچک است، و رویکرد Top-down که مبتنی بر تجزیه و خردکردن مواد کربنی بزرگتر مانند گرافیت، گرافن یا نانولولههای کربنی است [1].
روشهای اصلی سنتز Top-down
۱. برش شیمیایی (Chemical Oxidation)
اکسیداسیون شیمیایی یکی از رایجترین روشها برای تهیه CQDs است. در این روش، گرافیت یا گرافن اکسید با اسیدهای قوی (مانند HNO₃ و H₂SO₄) تحت فرآیند برش شیمیایی قرار میگیرند و نانوصفحات به ابعاد نانوذرات کوچک تجزیه میشوند [1,4]. این روش اگرچه ساده است، اما منجر به حضور فراوان گروههای عاملی اکسیژندار بر سطح CQDs میشود که نقش مهمی در خواص فوتولومینسانس آنها ایفا میکند [2].
۲. لیزر ابلیشن (Laser Ablation)
در این روش، پالسهای لیزری پرانرژی به سطح هدف کربنی تابیده شده و موجب تبخیر و تشکیل نانوذرات میشود. این روش امکان کنترل اندازه و یکنواختی ذرات را فراهم میآورد، اما نیازمند تجهیزات پیچیده و هزینهبر است [2,6].
۳. تخریب الکتروشیمیایی (Electrochemical Exfoliation)
در این روش، اعمال پتانسیل الکتریکی روی الکترودهای گرافیتی باعث جدا شدن لایههای گرافنی و در نهایت تشکیل CQDs میشود. این فرآیند مزیت کنترل دقیق شرایط واکنش و ایجاد گروههای عاملی متنوع روی سطح CQDs را دارد [1].
۴. سونیکیشن (Ultrasonic Treatment)
امواج اولتراسوند با انرژی مکانیکی بالا میتوانند ساختارهای کربنی بزرگ را تجزیه کنند. این روش ساده و مقرونبهصرفه است، اما کنترل اندازه و یکنواختی محصول نهایی در آن دشوار است [3].
۵. روشهای قوس الکتریکی (Arc-discharge)
قوس الکتریکی بین دو الکترود کربنی موجب تبخیر کربن و تشکیل CQDs میشود. این روش بازده بالایی دارد، اما به تجهیزات پرهزینه و شرایط دمایی بالا نیاز دارد [6].
ویژگیها و مکانیزمها
کوانتوم دات های کربنی تولید شده از مسیرهای top-down معمولاً دارای دامنه وسیعی از گروههای عاملی اکسیژندار هستند. این گروهها بر خواص نوری و پایداری آنها اثر می گذارند. به طور کلی، فوتولومینسانس CQDs به ترکیبی از مراکز هستهای (sp² domains) و مراکز سطحی (functional groups) نسبت داده میشود [2,5].
مزایا و معایب روشهای Top-down
مزایا:
- استفاده از مواد اولیه فراوان (گرافیت، گرافن، نانولولهها).
- قابلیت کاربردی در مقیاس بزرگ.
- امکان ایجاد گروههای عاملی فعال بدون نیاز به اصلاح اضافی [1,4].
معایب:
- نیاز به شرایط خشن (اسیدهای قوی، دمای بالا، تجهیزات لیزری).
- یکنواختی و کنترل اندازه محدودتر نسبت به روشهای bottom-up [2,6].
- آلودگیهای سطحی و نیاز به فرآیندهای خالصسازی پسین [7].
کاربردها
روشهای top-down به دلیل ایجاد گروههای عاملی سطحی، محصولاتی با قابلیت انتشار نوری وابسته به محیط تولید میکنند که در سنسورها، تصویربرداری زیستی و فوتودینامیک تراپی کاربرد دارند. برای مثال، مطالعات نشان دادهاند که CQDs سنتزشده به روش top-down در تولید گونههای فعال اکسیژن برای درمان فوتودینامیک سرطان عملکرد برتری نسبت به روش bottom-up دارند [6].
نتیجهگیری
روشهای top-down اگرچه چالشهایی نظیر استفاده از شرایط خشن و کنترل محدود بر اندازه ذرات دارند، اما همچنان یکی از رویکردهای اصلی در سنتز CQDs هستند. پیشرفتهای اخیر در ترکیب این روشها با اصلاحات سطحی و استراتژیهای شیمی سبز میتواند مسیر را برای کاربرد صنعتی و زیستپزشکی CQDs هموار سازد [1,4,7]. ما در گروه صنعتی کربن تک فام، از روش های شیمی سبز برای سنتز کوانتوم دات های کربنی استفاده می کنیم.
منابع
[1] Nagarajan, Durgadevi, D. Gangadharan, and Swarnalatha Venkatanarasimhan. Synthetic strategies toward developing carbon dots via top-down approach. Carbon Dots in Analytical Chemistry. Elsevier, 2023: 1-13.
[2] Zhang, Likang, et al. “A review on carbon quantum dots: Synthesis, photoluminescence mechanisms and applications.” Luminescence 37.10 (2022): 1612-1638.
[3] Quaid, Thomas, Vahab Ghalandari, and Toufiq Reza. “Effect of synthesis process, synthesis temperature, and reaction time on chemical, morphological, and quantum properties of carbon dots derived from loblolly pine.” Biomass 2.4 (2022): 250-263.
[4] Tripathy, Supriya, Jolina Rodrigues, and Navinchandra Gopal Shimpi. Top-down and Bottom-up Approaches for Synthesis of Nanoparticles. Nanobiomaterials Perspectives, 2023.
[5] Pillar-Little, Timothy J., et al. “Superior photodynamic effect of carbon quantum dots through both type I and type II pathways: Detailed comparison study of top-down-synthesized and bottom-up-synthesized carbon quantum dots.” Carbon (2018).
[6] Fauziyah, Nur Aini. “A brief review of C-Dots preparation using top-down and bottom-up approaches.” IJEISE 3.1 (2022): 25-29.
[7] Vázquez-Nakagawa, Mikiko, et al. “Supramolecular Assembly of Edge Functionalized Top‐Down Chiral Graphene Quantum Dots.” Angewandte Chemie 134 (2022): e202211365.
