摘要：近日，浙江理工大学材料科学与工程学院陈韦教授团队在《Mat Sci Eng R》上发表题为“Graphdiyne-based molecular active materials and devices for emerging smart applicati
近日，浙江理工大学材料科学与工程学院陈韦教授团队在《Mat Sci Eng R》上发表题为“Graphdiyne-based molecular active materials and devices for emerging smart applications”的综述。本文通过对石墨炔（GDY）这一新型二维纳米碳材料的特殊结构物性分析出发，从分子尺度活性深入探讨了其在智能材料领域的应用潜力，重点关注了近5年来石墨炔在智能材料器件领域的研究进展，包括分子活性环境刺激响应机制、以及在智能驱动器、柔性传感器、光电自适应调控、可穿戴能源捕获、神经元模拟等生物医学前言领域的创新应用；同时，本文还重点分析了石墨炔这一新兴纳米材料在合成（Synthesis）、规模化（Scalability）、稳定性（Stability）以及灵敏度（Sensitivity）方面所面临的困难和挑战，为GDY在智能材料器件领域的进一步发展和应用提供了重要指导。
随着智能材料和技术的迅速发展，石墨炔作为一种新型二维碳材料，正在为未来智能应用带来革新。如图1所示，其独特sp/sp²杂化碳骨架赋予其特殊的二维结构和卓越的物化性能，使其在响应外部环境刺激时展现出惊人的分子活性，使得GDY在无需外部化学修饰、掺杂或者复合的条件下即可直接与环境刺激进行互动，从而具备卓越的智能响应特性。
图1. 石墨炔独特的分子活性、智能特性和应用挑战
石墨炔独特的分子活性主要包括：
1. 独特的sp/sp²杂化碳骨架：石墨炔由sp和sp²碳原子交替构成的二维碳骨架，不同于传统的碳基材料（如石墨烯和碳纳米管）。其sp碳提供了高反应性炔键，而sp²碳则保证了优异的导电性。这种结构既兼具高孔隙率，又具备优异的分子稳定性，使得石墨炔能够直接响应环境刺激，无需额外的化学修饰。
2. 炔-烯键的化学转化机制：石墨炔的炔键能够与外界分子发生电子转移，从而实现炔-烯键的动态可逆转换。这种化学键转化不仅为电化学驱动器提供了全新的分子级驱动机制，还显著提升了石墨炔在低等级能量收集和智能响应领域的应用潜力。
3. 可调控的带隙与电子结构：Graphyne (GDY) 是一种二维碳材料，由石墨烯的sp²碳原子与炔烃链（含单键和三键）连接而成，具有可调节的孔隙结构。不同长度的炔烃链形成了不同的graphyne类型（如α、β、γ-graphyne），从而影响孔隙的大小。孔隙大小的变化直接影响其光电性能和电子传输行为。
4. 高效离子吸附与传输能力：石墨炔的多孔结构和高比表面积为离子传输和储存提供了理想的通道。其炔键上的高活性位点能够显著增强离子与材料之间的相互作用，为能源存储（如超级电容器和电池）和分子筛分应用奠定了基础。
图2. 有别于碳管和石墨烯，石墨炔独特的分子吸附和传输模式
5. 可调节的带隙：GDY是直接带隙半导体，带隙为0.46 eV。研究表明，通过施加应变，GDY的带隙可以调节。在压缩应变（-0.05）下，带隙降至0.28 eV，而在拉伸应变（0.06）下，带隙增至0.71 eV。这种带隙变化主要由碳原子间距增加和轨道重叠减少引起。
6. 超高质子导电性：石墨炔（GDY）表现出超高的质子导电性，特别是在氧化处理后，其质子导电率显著提高。这种超高导电性来源于石墨炔独特的质子传输机制和其表面含氧基团所提供的丰富活性位点，这些特性有助于增强水的吸附能力和质子交换，从而显著提升其质子导电性能。
7. 高品质因数：石墨炔（GDY）展现出优异的热电（TE）性能，尤其是在高性能因子（figure of merit）方面具有显著优势。通过优化载流子浓度，石墨炔的Seebeck系数和功率因子均表现出较传统热电材料更高的数值。此外，石墨炔的ZT值（热电优值）在室温下可分别达到3.0（p型）和4.8（n型），远高于大多数现有热电材料。
8. 固有自旋半顺磁性：石墨炔（GDY）表现出固有磁性，这使其在低能耗、旋量子电子学和量子计算等领域具有重要潜力。与石墨烯相比，GDY的sp–sp²杂化结构有助于防止sp³功能团的聚集，提供了调控磁性和能带结构的优势。GDY在低温和高磁场下展现出自旋-半参数磁性，且在不同退火温度下具有不同的磁性行为。通过氮掺杂，GDY的固有磁性得到了显著增强，表明元素掺杂或替代可以有效调节其磁性。
挑战和未来发展方向：由于其独特的结构和性质，GDY在智能材料领域具有广泛的应用前景。然而，将GDY从实验室研究转向实际应用面临多重挑战，尤其是在合成、可扩展性、稳定性和灵敏度方面。
1. Synthesis（合成挑战）：合成效率低，成本高，依赖复杂前体（如HEB、TEB）和有毒试剂（如吡啶、二氯甲烷）；需要开发更简便、稳定的前体，使用无毒试剂，提高安全性和环境可持续性。
2. Scalability（可扩展性挑战）：控制sp和sp²杂化碳键的自组装难度大，影响结构完整性和均匀性；需要优化自下而上的合成方法，探索不同晶面（如Cu(111)、Ge(110)）和有效催化剂，以提升可扩展性。
3. Stability（稳定性挑战）：内在稳定性取决于合成质量，结晶度和缺陷对机械和化学性质至关重要；加工和应用中的稳定性挑战包括膜转移、界面稳定性、极端环境下的抗性以及长期稳定性；需要提高抗氧化能力、增强机械强度，并研究界面稳定性。
4. Sensitivity（灵敏度挑战）：碳框架的完整性和对外部刺激的反应效率存在限制，缺乏高灵敏度变种；需要提高响应质量（灵敏度、速度、准确性）并扩展响应范围，包括磁场、电场、化学刺激等。
总之，由于上述特殊的结构和性能使得石墨炔成为新一代分子活性智能材料，在人工肌肉仿生驱动器、可穿戴传感器、光电自适应调节、生物医学、绿色能源等前沿领域崭露头角并展现出巨大潜力。我们相信，随着石墨炔更多性能的发掘和深入理解，将会不断开拓石墨炔在更多前沿领域的创新应用。
浙江理工大学材料科学与工程学院硕士研究生刘强为论文第一作者，陈韦教授为本文通讯作者，本文参与作者包括浙江理工大学杜梦宇博士生，巴黎城市大学Hyacinthe Randriamahazaka 教授。该研究成果得到了国家自然科学基金、国家火炬人才计划科研基金、浙江理工大学科研启动基金等项目的资助。
文献详情：
Qiang Liu , Mengyu Du , Hyacinthe Randriamahazaka , Wei Chen*, Graphdiyne-based molecular active materials and devices for emerging smart applications, Mat Sci Eng R 162 (2025) 100889.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100889
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来源：科学大课堂
