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Science:華南理工林志偉團(tuán)隊利用DNA首次實現(xiàn)碳納米管的可控有序修飾
來源:華南理工大學(xué)新聞網(wǎng) 2022-07-29
導(dǎo)讀:近日,華南理工大學(xué)前沿軟物質(zhì)學(xué)院林志偉教授與美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)Ming Zheng研究員,利用DNA首次實現(xiàn)了SWCNTs的可控有序修飾。相關(guān)研究成果以“DNA-guided lattice remodeling of carbon nanotubes”為題,發(fā)表在國際頂級期刊Science上。其中,林志偉為第一作者兼通訊作者,華南理工大學(xué)為本論文的合作單位,前沿軟物質(zhì)學(xué)院博士生李依濃為本文的分子模擬和彩圖設(shè)計做出了重要貢獻(xiàn);Ming Zheng 為共同通訊作者,NIST為主要通訊單位。
單壁碳納米管(SWCNTs)是由單層碳原子組成的一維管狀納米材料,具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)等方面性能,被廣泛應(yīng)用于包括電子器件、光學(xué)儀器、疾病檢測等諸多領(lǐng)域。SWCNTs的化學(xué)修飾可以改變其晶格結(jié)構(gòu),進(jìn)而改變電學(xué)和光學(xué)性能,對發(fā)展新型材料如有機(jī)超導(dǎo)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(xué)環(huán)境相同,SWCNTs的可控化學(xué)修飾是該領(lǐng)域長期存在的一項重大挑戰(zhàn)。林志偉表示:“精確可控的修飾方法,使得科學(xué)家有望像服裝設(shè)計師一樣,按自己的想法 ‘可定制化’地設(shè)計SWCNTs化學(xué)結(jié)構(gòu),以實現(xiàn)特殊的性能,例如超導(dǎo)性能和量子性能等,進(jìn)而實現(xiàn)在航空航天、量子計算機(jī)、量子通信、新一代生物醫(yī)療等領(lǐng)域的前沿應(yīng)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(diào)控SWCNTs種類、DNA序列和構(gòu)象,實現(xiàn)預(yù)先定制反應(yīng)位點。在525 nm光照下激發(fā)玫瑰紅(Rose Bengal)產(chǎn)生單線態(tài)氧,進(jìn)而引發(fā)G與SWCNTs發(fā)生反應(yīng)。之后利用吸收光譜、光致發(fā)光光譜(PL)、拉曼光譜對產(chǎn)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。SWCNTs與DNA的反應(yīng)示意圖和光譜表征為了深入研究反應(yīng)機(jī)理以及反應(yīng)后SWCNTs晶格中反應(yīng)位點的空間分布,作者設(shè)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(fā)現(xiàn)C3GC7GC3(2G-7)和(8,3) SWCNTs的反應(yīng)產(chǎn)物,在拉曼、熒光光譜中與SWCNTs晶格缺陷相關(guān)的峰強(qiáng)出現(xiàn)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(yīng)位點。篩選DNA序列在SWCNTs中構(gòu)筑有序的晶格缺陷利用冷凍電鏡(Cryo-EM)對C3GC7GC3-(8,3)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征和重構(gòu),證實了有序的DNA螺旋結(jié)構(gòu)。通過計算機(jī)模擬所構(gòu)筑的理論模型與冷凍電鏡的重構(gòu)模型相互驗證,清楚地揭示了反應(yīng)機(jī)理,并進(jìn)一步證明了晶格缺陷(G反應(yīng)位點)在SWCNTs表面等間距的有序排列。Cryo-EM重構(gòu)有序修飾的SWCNTs結(jié)構(gòu)及反應(yīng)機(jī)理示意圖據(jù)介紹,本工作通過簡單的DNA序列設(shè)計和精密的結(jié)構(gòu)表征,為SWCNTs可控化學(xué)修飾開辟了一個全新的思路?;诰_可控的SWCNTs修飾方法,有望實現(xiàn)按可定制化的方式,重塑SWCNTs原有的晶格結(jié)構(gòu)和光電性能,為發(fā)展有機(jī)超導(dǎo)材料、拓?fù)洳牧系茸兏镄圆牧咸峁┲匾睦碚摵蛯嶒炓罁?jù)。基于此,審稿人對相關(guān)研究成果給予了高度評價,認(rèn)為該工作完成了過去很多研究者嘗試但收效甚微的宏偉目標(biāo),是該領(lǐng)域的重大進(jìn)展。林志偉,華南理工大學(xué)前沿軟物質(zhì)學(xué)院教授。2016年在美國阿克倫大學(xué)高分子科學(xué)系取得博士學(xué)位,研究方向為精確大分子的合成與組裝。2017-2019年在哥倫比亞大學(xué)從事博士后研究工作,研究方向為DNA多維有序組裝結(jié)構(gòu)的構(gòu)建與應(yīng)用。2019-2021年在美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)開展研究工作,研究方向為高純度單手性碳納米管的高效分離、精確修飾和先進(jìn)應(yīng)用。2022年初入職華南理工大學(xué)。近5年,作為第一/通訊作者在國際高水平期刊上發(fā)表研究論文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。
參考資料:http://news.scut.edu.cn/2022/0729/c41a45862/page.htm
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