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科学家首次利用DNA实现碳纳米管可控有序修饰

2022-08-23 中国科学报 朱汉斌
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可控有序修饰的单壁碳纳米管。研究团队供图

  华南理工大学前沿软物质学院教授林志伟与美国国家标准与技术研究院(NIST)研究员郑铭,利用DNA首次实现了单壁碳纳米管(SWCNTs)的可控有序修饰。相关研究近日发表于《科学》。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尝试但收效甚微的宏大目标,是该领域的重大进展。还有评论指出,他们设计出了有望给电子产品带来革命性影响的材料。

  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、热学等性能,被广泛应用于电子器件、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,是国际前沿研究方向。但由于SWCNTs中所有碳原子的化学环境相同,其可控化学修饰是该领域长期存在的一项重大挑战。

  该研究通过简单的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思路。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。”

  研究人员将含有鸟嘌呤碱基(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纳米光照下激发玫瑰红(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、拉曼光谱对产物结构进行表征。

  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。

  研究人员利用冷冻电镜对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。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.abo4628

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