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      作者:朱漢斌 來源:中國科學報 發布時間:2022/8/19 11:13:31
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      科學家利用DNA首次實現碳納米管可控有序修飾

      可控有序修飾的單壁碳納米管。研究團隊 供圖

      記者日前從華南理工大學獲悉,該校前沿軟物質學院林志偉教授與美國國家標準與技術研究院(NIST)研究員Ming Zheng,利用DNA首次實現了單壁碳納米管(SWCNTs)的可控有序修飾。相關研究發表于Science。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。

      據介紹,該論文發表后引起了較大反響,國內外多家媒體對該工作進行了亮點報道。Science刊載了一篇Perspective對該工作進行評述:“本論文所設計的材料,為實現室溫超導材料邁出了重要一步,是里程碑式的發現。”

      該研究工作通過簡單的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的思路。華南理工大學為該論文合作單位,林志偉為第一作者兼通訊作者,博士生李依濃為論文的分子模擬和彩圖設計做出了重要貢獻;Ming Zheng 為共同通訊作者,NIST為主要通訊單位。

      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、熱學等方面性能,被廣泛應用于包括電子器件、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,是國際前沿的研究方向。但由于SWCNTs中所有碳原子的化學環境相同,SWCNTs的可控化學修飾是該領域長期存在的一項重大挑戰。

      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。”

      具體來說,作者將含有鳥嘌呤堿基(Guanine,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 nm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(PL)、拉曼光譜對產物結構進行表征。

      SWCNTs與DNA的反應示意圖和光譜表征。研究團隊 供圖

      為了深入研究反應機理以及反應后SWCNTs晶格中反應位點的空間分布,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。

      利用冷凍電鏡(Cryo-EM)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,有望實現按可定制化的方式,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。

      美國《Science Daily》對該研究成果進行了專題報道,文中指出:“科學家利用DNA克服了之前幾乎無法逾越的障礙,設計出有望給電子產品帶來革命性影響的材料。”

      相關論文信息: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo4628

       
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