美国莱斯大学化学系和材料科学与纳米工程学系R. Bruce. Weisman教授来我校访问

应北京大学化学学院李彦教授的邀请，美国莱斯大学（Rice University）的国际著名碳材料光谱领域专家R. Bruce Weisman教授于2017年10月22日-29日在北京访问。访问期间，Weisman教授先后对北京大学化学学院、物理学院、信息科学学院以及清华大学物理系多个课题组分别进行参观交流。

10月27日下午三点半，Weisman教授在北京大学化学学院A204报告厅做了题目为“Fluorescence of Single-Walled Carbon Nanotubes: From Discovery to Applications”的兴大报告。化学学院100余名研究生和教师参加了此次兴大报告讲座。兴大报告主持人吴凯教授主持报告并介绍了Weisman教授的简历。

      报告开始，Weisman教授以幽默诙谐的语调，首先介绍了Rice University校名的来历，之后围绕纳米碳结构，讲述了Rice University在C60发现和碳纳米管研究方面的进展。单壁碳纳米管（Single-Walled Carbon Nanotubes，SWCNTs）在结构上可看做由单层石墨烯卷曲得到，它在力学、光学、电子学等方面具有诸多独特的性质和潜在应用价值。之后，Weisman教授分别从体相SWCNTs分离、光谱表征，单根SWCNTs溶液相行为、光物理过程以及其在工程应用、生物和生物医学应用等方面展开，详细介绍了SWCNTs从基础研究到应用研究的发展过程。

      Weisman教授首先概述了SWCNTs的结构特征和电子学特征，特别是半导体性单壁碳纳米管（s-SWCNTs）的电子态结构。SWCNTs不溶于水等溶剂，且由于管间强的范德华作用通常以管束形式存在，这极大限制了对其荧光现象等的研究。Weisman教授及其合作者采用超声搅拌和超速离心的方式，制备得到SDS分散的单根管水溶液样品，首次得到SWCNTs的荧光光谱（Science, 2002, 297, 593.）。之后采用相同的方法，Weisman教授发现s-SWCNTs特征光谱信号与其结构存在对应关系，通过光谱跃迁能对30余种s-SWCNTs进行了结构指认(Science, 2002, 298, 2361.)。

不同方法生长的单壁碳纳米管，均是多种手性共存的混合体系。密度梯度离心法近年来逐渐发展成为分离单一手性单壁碳纳米管的重要方法。但是目前该方法仅限于分离含少数手性类型的CoMoCAT样品，主要是实现(6,5)和(7,5)手性的富集，分离出的单一手性碳纳米管种类有限，并且需要多次重复离心过程，耗时长。Weisman教授则在此基础上，通过优化离心梯度，发展出了非线性密度梯度离心法，极大程度上提高了分离效率。他们利用可快速测量荧光的光学仪器实时监测，对密度梯度条件进行优化，实现在一步操作中分离出近十种单一手性碳纳米管。并且，通过混合表面活性剂体系与非线性密度梯度相结合的方式，他们成功分离出七对SWCTNs旋光异构体 (Nature Nanotechnology, 2010, 5, 443.) 。

Weisman教授还介绍了他们课题组发展的水溶液中测定单分散SWCNTs长度分布的方法。由于纳米管制备方法及后处理手段的差异，通常得到的SWCNTs样品长度分布跨度很大，从~nm到~cm不等，而这种差异给SWCNTs各项基础研究及应用带来了很大不便。人们通常利用原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）来确定纳米管长度分布，但这种方法对制样质量要求很高，且数据采集过程耗时较长。Weisman教授利用单根纳米管的近红外荧光特性及其在水溶液中的扩散运动，对s-SWCNTs在近红外荧光显微镜下的图像进行实时监测，通过定位单根碳纳米管，追踪其运动轨迹，并结合软件处理，得到纳米管的长度值。相比于传统的AFM方法，这种方法分析样品所需时间短，操作简单，且与AFM得到的数值吻合，已经成为表征SWCNTs长度分度的极具应用前景的方法之一（ACS Nano, 2012, 6, 8424.）。

之后，Weisman教授又介绍了他们在SWCNTs光物理过程研究方面的工作。他们利用近红外荧光光谱，成功实现了对单根SWCNT参与的单分子反应的检测。Weisman教授发现，当SWCNTs暴露于酸、碱或者偶氮反应物时，其荧光发射强度会有一个明显的随时间改变的阶梯式变化，这种变化反映了移动的激子在外来化学攻击（可逆或不可逆）下，在局域位点的猝灭过程。基于此，Weisman教授提出了激子猝灭模型（Science, 2007, 316, 1465.）。

除了基础研究之外，Weisman教授还介绍了他在工程应用方面的研究工作。他们制备了以复合物为基体，内嵌入SWCNTs作为应力传感器（Strain Sensors）的特殊涂层。基底所受应力可通过聚合物传递给SWCNTs，进而导致碳纳米管近红外荧光峰位发生位移，这种位移在一定应力范围内，与所施加应力线性相关，也和所使用的SWCNTs结构相关。利用这种复合物涂层，可对要研究的物质表面进行非接触式的应力测量（Non-contact Strain Measurement）（Nano Letters, 2012 , 12，3497）。基于这种技术，Weisman教授还发展了基于应力传感的智能皮肤技术（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近红外荧光性质，创造性的将其应用于生物组织成像，得到了一系列出色的结果。他将分散好的SWCNTs样品培养小白鼠和果蝇，分别对其生物组织进行成像，获得了清晰的巨噬细胞荧光成像和活体果蝇不同发育阶段以及不同组织的成像。这种成像手段为探测碳纳米管与细胞、组织及器官等相互作用提供了一种强有力的手段（JACS, 2004, 126,15638; Nano Letters, 2007, 7, 2650.）。特别注意的是，在研究过程中SWCNTs的加入对活体生物的发育过程并没有产生明显的损害和影响。Weisman教授特别强调，在生物医学领域，SWCNTs荧光强的灵敏度，使其可以对生物体进行选择性检测和成像，在未来可作为一种强有力的工具应用于医学诊断、治疗和传感。

报告结束后，Weisman教授和与会者进行了热烈的讨论。此次报告受到老师和同学们的高度好评。吴凯教授向Weisman教授赠送了“兴大报告”奖章，并合影留念。

R. Bruce Weisman教授简介：

R. Bruce Weisman教授供职于莱斯大学（Rice University）化学系和材料科学与纳米工程学系，同时他也是Smalley-Curl研究所（the Smalley-Curl Institute）和生物科学与生物工程研究所（the Institute of Biosciences and Bioengineering）成员。1971年和1977年，他分别在美国约翰霍普金斯大学（Johns Hopkins University）和芝加哥大学（University of Chicago）获得化学学士和博士学位，之后他在宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）进行博士后工作研究，并于1979年加入Rice University。Weisman教授目前主要进行与碳纳米管相关的基础研究以及应用研究。他还是电化学学会纳米碳分会（the Nanocarbons Division of The Electrochemical Society）财务主管和前一任主席（Treasurer and immediate past Chair），应用纳米荧光有限责任公司（Applied NanoFluorescence, LLC）的建立者和主席。除此之外，他是应用物理A（Applied Physics A）杂志前合作编辑（former Co-Editor），美国物理学会（the American Physical Society）、电化学学会（The Electrochemical Society）、美国科学促进协会（the American Association for the Advancement of Science）会士（Elected Fellow）。

Weisman教授在纳米材料科学，特别是碳纳米材料表征领域取得很多开创性的成就。在四十多年的研究生涯中，他在Science，Nature Nanotechnology，Nature materials，JACS，ACS Nano，Nano Letters等高水平杂志上共发表研究论文近170篇，总引用高达13000余次。