應(yīng)北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院李彥教授的邀請，美國萊斯大學(xué)（Rice University）的國際著名碳材料光譜領(lǐng)域?qū)＜襌. Bruce Weisman教授于2017年10月22日-29日在北京訪問。訪問期間，Weisman教授先后對北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院、物理學(xué)院、信息科學(xué)學(xué)院以及清華大學(xué)物理系多個課題組分別進行參觀交流。

10月27日下午三點半，Weisman教授在北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院A204報告廳做了題目為“Fluorescence of Single-Walled Carbon Nanotubes: From Discovery to Applications”的興大報告。化學(xué)學(xué)院100余名研究生和教師參加了此次興大報告講座。興大報告主持人吳凱教授主持報告并介紹了Weisman教授的簡歷。

      報告開始，Weisman教授以幽默詼諧的語調(diào)，首先介紹了Rice University校名的來歷，之后圍繞納米碳結(jié)構(gòu)，講述了Rice University在C60發(fā)現(xiàn)和碳納米管研究方面的進展。單壁碳納米管（Single-Walled Carbon Nanotubes，SWCNTs）在結(jié)構(gòu)上可看做由單層石墨烯卷曲得到，它在力學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)等方面具有諸多獨特的性質(zhì)和潛在應(yīng)用價值。之后，Weisman教授分別從體相SWCNTs分離、光譜表征，單根SWCNTs溶液相行為、光物理過程以及其在工程應(yīng)用、生物和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等方面展開，詳細介紹了SWCNTs從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研究的發(fā)展過程。

      Weisman教授首先概述了SWCNTs的結(jié)構(gòu)特征和電子學(xué)特征，特別是半導(dǎo)體性單壁碳納米管（s-SWCNTs）的電子態(tài)結(jié)構(gòu)。SWCNTs不溶于水等溶劑，且由于管間強的范德華作用通常以管束形式存在，這極大限制了對其熒光現(xiàn)象等的研究。Weisman教授及其合作者采用超聲攪拌和超速離心的方式，制備得到SDS分散的單根管水溶液樣品，首次得到SWCNTs的熒光光譜（Science, 2002, 297, 593.）。之后采用相同的方法，Weisman教授發(fā)現(xiàn)s-SWCNTs特征光譜信號與其結(jié)構(gòu)存在對應(yīng)關(guān)系，通過光譜躍遷能對30余種s-SWCNTs進行了結(jié)構(gòu)指認(Science, 2002, 298, 2361.)。

不同方法生長的單壁碳納米管，均是多種手性共存的混合體系。密度梯度離心法近年來逐漸發(fā)展成為分離單一手性單壁碳納米管的重要方法。但是目前該方法僅限于分離含少數(shù)手性類型的CoMoCAT樣品，主要是實現(xiàn)(6,5)和(7,5)手性的富集，分離出的單一手性碳納米管種類有限，并且需要多次重復(fù)離心過程，耗時長。Weisman教授則在此基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化離心梯度，發(fā)展出了非線性密度梯度離心法，極大程度上提高了分離效率。他們利用可快速測量熒光的光學(xué)儀器實時監(jiān)測，對密度梯度條件進行優(yōu)化，實現(xiàn)在一步操作中分離出近十種單一手性碳納米管。并且，通過混合表面活性劑體系與非線性密度梯度相結(jié)合的方式，他們成功分離出七對SWCTNs旋光異構(gòu)體 (Nature Nanotechnology, 2010, 5, 443.) 。

Weisman教授還介紹了他們課題組發(fā)展的水溶液中測定單分散SWCNTs長度分布的方法。由于納米管制備方法及后處理手段的差異，通常得到的SWCNTs樣品長度分布跨度很大，從~nm到~cm不等，而這種差異給SWCNTs各項基礎(chǔ)研究及應(yīng)用帶來了很大不便。人們通常利用原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）來確定納米管長度分布，但這種方法對制樣質(zhì)量要求很高，且數(shù)據(jù)采集過程耗時較長。Weisman教授利用單根納米管的近紅外熒光特性及其在水溶液中的擴散運動，對s-SWCNTs在近紅外熒光顯微鏡下的圖像進行實時監(jiān)測，通過定位單根碳納米管，追蹤其運動軌跡，并結(jié)合軟件處理，得到納米管的長度值。相比于傳統(tǒng)的AFM方法，這種方法分析樣品所需時間短，操作簡單，且與AFM得到的數(shù)值吻合，已經(jīng)成為表征SWCNTs長度分度的極具應(yīng)用前景的方法之一（ACS Nano, 2012, 6, 8424.）。

之后，Weisman教授又介紹了他們在SWCNTs光物理過程研究方面的工作。他們利用近紅外熒光光譜，成功實現(xiàn)了對單根SWCNT參與的單分子反應(yīng)的檢測。Weisman教授發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SWCNTs暴露于酸、堿或者偶氮反應(yīng)物時，其熒光發(fā)射強度會有一個明顯的隨時間改變的階梯式變化，這種變化反映了移動的激子在外來化學(xué)攻擊（可逆或不可逆）下，在局域位點的猝滅過程?；诖?，Weisman教授提出了激子猝滅模型（Science, 2007, 316, 1465.）。

除了基礎(chǔ)研究之外，Weisman教授還介紹了他在工程應(yīng)用方面的研究工作。他們制備了以復(fù)合物為基體，內(nèi)嵌入SWCNTs作為應(yīng)力傳感器（Strain Sensors）的特殊涂層。基底所受應(yīng)力可通過聚合物傳遞給SWCNTs，進而導(dǎo)致碳納米管近紅外熒光峰位發(fā)生位移，這種位移在一定應(yīng)力范圍內(nèi)，與所施加應(yīng)力線性相關(guān)，也和所使用的SWCNTs結(jié)構(gòu)相關(guān)。利用這種復(fù)合物涂層，可對要研究的物質(zhì)表面進行非接觸式的應(yīng)力測量（Non-contact Strain Measurement）（Nano Letters, 2012 , 12，3497）。基于這種技術(shù)，Weisman教授還發(fā)展了基于應(yīng)力傳感的智能皮膚技術(shù)（Strain-Sensing Smart Skin (S4) technology）（J. Strain Analysis, 2015, 50, 505; ECS J. Solid State Sci. & Technol., 2016, 3012.）。除此之外，Weisman教授利用SWCNTs近紅外熒光性質(zhì)，創(chuàng)造性的將其應(yīng)用于生物組織成像，得到了一系列出色的結(jié)果。他將分散好的SWCNTs樣品培養(yǎng)小白鼠和果蠅，分別對其生物組織進行成像，獲得了清晰的巨噬細胞熒光成像和活體果蠅不同發(fā)育階段以及不同組織的成像。這種成像手段為探測碳納米管與細胞、組織及器官等相互作用提供了一種強有力的手段（JACS, 2004, 126,15638; Nano Letters, 2007, 7, 2650.）。特別注意的是，在研究過程中SWCNTs的加入對活體生物的發(fā)育過程并沒有產(chǎn)生明顯的損害和影響。Weisman教授特別強調(diào)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，SWCNTs熒光強的靈敏度，使其可以對生物體進行選擇性檢測和成像，在未來可作為一種強有力的工具應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷、治療和傳感。

報告結(jié)束后，Weisman教授和與會者進行了熱烈的討論。此次報告受到老師和同學(xué)們的高度好評。吳凱教授向Weisman教授贈送了“興大報告”獎?wù)?，并合影留念?/p>

R. Bruce Weisman教授簡介：

R. Bruce Weisman教授供職于萊斯大學(xué)（Rice University）化學(xué)系和材料科學(xué)與納米工程學(xué)系，同時他也是Smalley-Curl研究所（the Smalley-Curl Institute）和生物科學(xué)與生物工程研究所（the Institute of Biosciences and Bioengineering）成員。1971年和1977年，他分別在美國約翰霍普金斯大學(xué)（Johns Hopkins University）和芝加哥大學(xué)（University of Chicago）獲得化學(xué)學(xué)士和博士學(xué)位，之后他在賓夕法尼亞大學(xué)（University of Pennsylvania）進行博士后工作研究，并于1979年加入Rice University。Weisman教授目前主要進行與碳納米管相關(guān)的基礎(chǔ)研究以及應(yīng)用研究。他還是電化學(xué)學(xué)會納米碳分會（the Nanocarbons Division of The Electrochemical Society）財務(wù)主管和前一任主席（Treasurer and immediate past Chair），應(yīng)用納米熒光有限責(zé)任公司（Applied NanoFluorescence, LLC）的建立者和主席。除此之外，他是應(yīng)用物理A（Applied Physics A）雜志前合作編輯（former Co-Editor），美國物理學(xué)會（the American Physical Society）、電化學(xué)學(xué)會（The Electrochemical Society）、美國科學(xué)促進協(xié)會（the American Association for the Advancement of Science）會士（Elected Fellow）。

Weisman教授在納米材料科學(xué)，特別是碳納米材料表征領(lǐng)域取得很多開創(chuàng)性的成就。在四十多年的研究生涯中，他在Science，Nature Nanotechnology，Nature materials，JACS，ACS Nano，Nano Letters等高水平雜志上共發(fā)表研究論文近170篇，總引用高達13000余次。