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。

针对该挑战，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，利用DNA首次实现了SWCNTs的可控有序修饰。相关研究成果以“DNA-guided lattice remodeling of carbon nanotubes”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。林志伟教授为本论文的第一作者和通讯作者，Ming Zheng 研究员为共同通讯作者。

林志伟解释：“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’的设计SWCNTs化学结构，以实现特殊的性能（例如超导性能），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（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。

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，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）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，其螺距为6.5 Å（图4）。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与了高度评价，认为该工作完成了过去很多人做尝试但收效甚微的宏伟目标，是领域里的重大进展等。