Science：华南理工林志伟等利用DNA首次实现了碳纳米管的可控有序修饰

单壁碳纳米管（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，已经被广泛应用于诸多领域包括电子器件、光学仪器、疾病检测等。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。

近日华南理工大学前沿软物质学院林志伟教授（回国前就职于NIST）与美国国家标准与技术研究院（NIST）Ming Zheng研究员等在 Science 期刊发表了题为：DNA-guided lattice remodeling of carbon nanotubes 的研究论文。该研究利用DNA首次实现了单壁碳纳米管（SWCNTs）的可控有序修饰。

论文第一作者兼共同通讯作者林志伟表示，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525nm光照下激发玫瑰红（Rose Bengal）产生单线态氧（1O2），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（图2）。

为了揭示反应机理，作者选定了（8,3）SWCNTs与一序列不同G含量的DNA进行反应。随着G含量升高，产物的光致发光光谱（PL）和吸收光谱逐渐变宽且红移，在拉曼光谱中与SWCNTs的碳原子反应位点（即晶格缺陷）相关的峰值逐渐增强（如D和IFM峰），表明SWCNTs晶格中缺陷的密度逐渐增大（图3）。重要的是，对这些结果的深入分析，发现由G和SWCNTs反应生成的缺陷是sp2型缺陷，而不是常见的sp3型缺陷。sp2型缺陷能更好地保持SWCNTs中sp2碳原子的结构特点。

为了研究反应后SWCNTs晶格中反应位点的空间分布，作者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）与(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（图4）。

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，其螺距为6.5 Å（图5）。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。

总结，本工作通过简单的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。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了重要的理论和实验依据。审稿人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做尝试但收效甚微的宏伟目标，是领域里的重大进展等。

作者介绍林志伟教授：华南理工大学前沿软物质学院教授。2016年在美国阿克伦大学高分子科学系取得博士学位，研究方向为精确大分子的合成与组装。2017-2019年在哥伦比亚大学从事博士后研究工作，研究方向为DNA多维有序组装结构的构建与应用。2019-2021年在美国国家标准与技术研究院（NIST）开展研究工作，研究方向为高纯度单手性碳纳米管的高效分离、精确修饰和先进应用。2022年初入职华南理工大学。近5年，作为第一/通讯作者在国际高水平期刊上发表研究论文10篇，包括 Science 1篇，J. Am. Chem. Soc. 4篇， Angew. Chem. Int. Ed. 3篇，ACS Nano 1篇和 Nano Lett. 1篇。林志伟教授课题组的主要研究方向围绕高分子、DNA、碳纳米管，致力于新型复合与杂化功能材料的精确设计、精准组装和先进应用等方面的研究工作。现诚招博士后、2023级博士和硕士研究生。有意者请将个人简历和其他相关支持材料发送至林志伟教授邮箱（zhiweilin@scut.edu.cn）。

论文链接：

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

转自：生物世界

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