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華南理工大學前沿軟物質學院教授林志偉與美國國家標準與技術研究院（NIST）研究員鄭銘，利用DNA首次實現了單壁碳納米管（SWCNTs）的可控有序修飾。相關研究近日發表于《科學》。審稿人對相關研究成果給予了高度評價，認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，是該領域的重大進展。還有評論指出，他們設計出了有望給電子產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，具有優異的光學、電學、力學、熱學等性能，被廣泛應用于電子器件、光學儀器、疾病檢測等諸多領域。SWCNTs的化學修飾可以改變其晶格結構，進而改變電學和光學性能，對發展新型材料如有機超導材料、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環境相同，其可控化學修飾是該領域長期存在的一項重大挑戰。
該研究通過簡單的DNA序列設計和精密的結構表征，為SWCNTs可控化學修飾開辟了一個全新思路。林志偉表示，“精確可控的修飾方法，使得科學家有望像服裝設計師一樣，按自己的想法‘可定制化’地設計SWCNTs化學結構，以實現特殊的性能，例如超導性能和量子性能等，進而實現在航空航天、量子計算機、量子通信、新一代生物醫療等領域的前沿應用。”
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，通過調控SWCNTs種類、DNA序列和構象，實現預先定制反應位點。在525納米光照下激發玫瑰紅（Rose Bengal）產生單線態氧，進而引發G與SWCNTs發生反應。之后利用吸收光譜、光致發光光譜、拉曼光譜對產物結構進行表征。
研究人員設計了一系列有相同G含量但G相對位置不同的DNA（2G-n），出乎意料地發現C3GC7GC3（2G-7）和（8,3）SWCNTs的反應產物，在拉曼、熒光光譜中與SWCNTs晶格缺陷相關的峰強出現了極小值，表明在SWCNTs中形成了有序排列的晶格缺陷，即有序排列的反應位點。
研究人員利用冷凍電鏡對C3GC7GC3-（8,3）的結構進行表征和重構，證實了有序的DNA螺旋結構。通過計算機模擬所構筑的理論模型與冷凍電鏡的重構模型相互驗證，清楚地揭示了反應機理，并進一步證明了晶格缺陷（G反應位點）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原有的晶格結構和光電性能，為發展有機超導材料、拓撲材料等變革性材料提供重要的理論和實驗依據。朱漢斌
相關論文信息：
https://doi.org/10.1126/science.abo4628
《中國科學報》 (2022-08-23 第1版 要聞)
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