(相關(guān)資料圖)

華南理工大學(xué)前沿軟物質(zhì)學(xué)院教授林志偉與美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）研究員鄭銘，利用DNA首次實(shí)現(xiàn)了單壁碳納米管（SWCNTs）的可控有序修飾。相關(guān)研究近日發(fā)表于《科學(xué)》。審稿人對相關(guān)研究成果給予了高度評價(jià)，認(rèn)為該工作完成了過去很多研究者嘗試但收效甚微的宏大目標(biāo)，是該領(lǐng)域的重大進(jìn)展。還有評論指出，他們設(shè)計(jì)出了有望給電子產(chǎn)品帶來革命性影響的材料。

SWCNTs是由單層碳原子組成的一維管狀納米材料，具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)等性能，被廣泛應(yīng)用于電子器件、光學(xué)儀器、疾病檢測等諸多領(lǐng)域。SWCNTs的化學(xué)修飾可以改變其晶格結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變電學(xué)和光學(xué)性能，對發(fā)展新型材料如有機(jī)超導(dǎo)材料、量子材料意義重大，是國際前沿研究方向。但由于SWCNTs中所有碳原子的化學(xué)環(huán)境相同，其可控化學(xué)修飾是該領(lǐng)域長期存在的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

該研究通過簡單的DNA序列設(shè)計(jì)和精密的結(jié)構(gòu)表征，為SWCNTs可控化學(xué)修飾開辟了一個(gè)全新思路。林志偉表示，“精確可控的修飾方法，使得科學(xué)家有望像服裝設(shè)計(jì)師一樣，按自己的想法‘可定制化’地設(shè)計(jì)SWCNTs化學(xué)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)特殊的性能，例如超導(dǎo)性能和量子性能等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在航空航天、量子計(jì)算機(jī)、量子通信、新一代生物醫(yī)療等領(lǐng)域的前沿應(yīng)用。”

研究人員將含有鳥嘌呤堿基（G）的DNA序列纏繞至多種單手性SWCNTs的表面，通過調(diào)控SWCNTs種類、DNA序列和構(gòu)象，實(shí)現(xiàn)預(yù)先定制反應(yīng)位點(diǎn)。在525納米光照下激發(fā)玫瑰紅（Rose Bengal）產(chǎn)生單線態(tài)氧，進(jìn)而引發(fā)G與SWCNTs發(fā)生反應(yīng)。之后利用吸收光譜、光致發(fā)光光譜、拉曼光譜對產(chǎn)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

研究人員設(shè)計(jì)了一系列有相同G含量但G相對位置不同的DNA（2G-n），出乎意料地發(fā)現(xiàn)C3GC7GC3（2G-7）和（8,3）SWCNTs的反應(yīng)產(chǎn)物，在拉曼、熒光光譜中與SWCNTs晶格缺陷相關(guān)的峰強(qiáng)出現(xiàn)了極小值，表明在SWCNTs中形成了有序排列的晶格缺陷，即有序排列的反應(yīng)位點(diǎn)。

研究人員利用冷凍電鏡對C3GC7GC3-（8,3）的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征和重構(gòu)，證實(shí)了有序的DNA螺旋結(jié)構(gòu)。通過計(jì)算機(jī)模擬所構(gòu)筑的理論模型與冷凍電鏡的重構(gòu)模型相互驗(yàn)證，清楚地揭示了反應(yīng)機(jī)理，并進(jìn)一步證明了晶格缺陷（G反應(yīng)位點(diǎn)）在SWCNTs表面等間距的有序排列。基于精確可控的SWCNTs修飾方法，有望按可定制化的方式重塑SWCNTs原有的晶格結(jié)構(gòu)和光電性能，為發(fā)展有機(jī)超導(dǎo)材料、拓?fù)洳牧系茸兏镄圆牧咸峁┲匾睦碚摵蛯?shí)驗(yàn)依據(jù)。朱漢斌

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1126/science.abo4628

《中國科學(xué)報(bào)》 (2022-08-23 第1版 要聞)