科学家首次实现碳纳米管可控有序修饰。
可控有序修饰的单壁碳纳米管。 研究团队供图
记者日前从华南理工大学获悉，该校前沿软物质学院林志伟教授与美国国家标准与技术研究院（nist）研究员ming zheng，利用dna首次实现了单壁碳纳米管（swcnts）的可控有序修饰。相关研究发表于。对相关研究成果给予了高度评价，认为该工作完成了过去很多研究者尝试但收效甚微的宏大目标，是该领域的重大进展。
据介绍，该论文发表后引起了较大反响，国内外多家媒体对该工作进行了亮点报道。刊载了一篇perspective对该工作进行评述：本论文所设计的材料，为实现室温超导材料迈出了重要一步，是里程碑式的发现。
该研究工作通过简单的dna序列设计和精密的结构表征，为swcnts可控化学修饰开辟了一个全新的思路。华南理工大学为该论文合作单位，林志伟为第一作者兼通讯作者，生李依浓为论文的分子模拟和彩图设计做出了重要贡献；ming zheng 为共同通讯作者，nist为主要通讯单位。
swcnts是由单层碳原子组成的一维管状纳米材料，具有优异的光学、电学、力学、热学等方面性能，被广泛应用于包括电子器件、光学仪器、疾病检测等诸多领域。swcnts的化学修饰可以改变其晶格结构，进而改变电学和光学性能，对发展新型材料如有机超导材料、量子材料意义重大，是国际前沿的研究方向。但由于swcnts中所有碳原子的化学环境相同，swcnts的可控化学修饰是该领域长期存在的一项重大挑战。
林志伟表示，精确可控的修饰方法，使得科学家有望像服装设计师一样，按自己的想法 ‘可定制化’地设计swcnts化学结构，以实现特殊的性能，例如超导性能和量子性能等，进而实现在航空航天、量子计算机、量子通信、新一代生物医疗等领域的前沿应用。
具体来说，作者将含有鸟嘌呤碱基（guanine，g）的dna序列，缠绕至多种单手性swcnts的表面，通过调控swcnts种类、dna序列和构象，实现预先定制反应位点。在525 nm光照下激发玫瑰红（rose bengal）产生单线态氧，进而引发g与swcnts发生反应。之后利用吸收光谱、光致发光光谱（pl）、拉曼光谱对产物结构进行表征。
swcnts与dna的反应示意图和光谱表征。 研究团队供图
为了深入研究反应机理以及反应后swcnts晶格中反应位点的空间分布，研究人员设计了一系列有相同g含量，但g相对位置不同的dna（2g-n），出乎意料地发现c3gc7gc3（2g-7）和（8,3）swcnts的反应产物，在拉曼、荧光光谱中与swcnts晶格缺陷相关的峰强出现了极小值，表明在swcnts中形成了有序排列的晶格缺陷，即有序排列的反应位点。
利用冷冻电镜（cryo-em）对c3gc7gc3-（8,3）的结构进行表征和重构，证实了有序的dna螺旋结构。通过计算机模拟所构筑的理论模型与冷冻电镜的重构模型相互验证，清楚地揭示了反应机理，并进一步证明了晶格缺陷（g反应位点）在swcnts表面等间距的有序排列。基于精确可控的swcnts修饰方法，有望实现按可定制化的方式，重塑swcnts原有的晶格结构和光电性能，为发展有机超导材料、拓扑材料等变革性材料提供重要的理论和实验依据。
美国《 daily》对该研究成果进行了专题报道，文中指出：科学家利用dna克服了之前几乎无法逾越的障碍，设计出有望给电子产品带来革命性影响的材料。（来源：中国科学报朱汉斌）
相关论文信息：https://doi.org/10.1126/.abo4628
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作者：林志伟等 来源：《科学》
