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科学家首次实现碳纳米管可控有序修饰

  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Science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。

   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。Science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,博士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《Science 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/Science.abo4628

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作者:林志伟等 来源:《科学》

分类标签: 科学家 纳米 修饰

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