碳纳米管的共价修饰是设计其电子结构的有前途的策略。然而，使修饰位点与纳米管晶格保持一致是具有挑战性的。 2022年7月28日，美国国家标准技术研究所郑铭及美国国家标准技术研究所/华南理工大学林志伟共同通讯在Science 在线发表题为“DNA-guided lattice remodeling of carbon nanotubes”的研究论文，该研究报告了一种使用 DNA 导向的鸟嘌呤 (G) 特异性交联化学的解决方案。 通过 DNA 筛选，该研究确定了一个序列 C3GC7GC3，其与 (8,3) 对映异构体的反应产生最小的无序诱导的拉曼模式强度和光致发光斯托克斯位移，表明形成了有序的缺陷阵列。 单粒子冷冻电子显微镜显示，功能化的 C3GC7GC3 (8,3) 具有 6.5 埃周期性的有序螺旋结构。反应机理分析表明，螺旋周期是由一系列 G 修饰的碳 - 碳键沿扶手椅螺旋线分开固定距离产生的。总之，该研究结果可用于重塑纳米管晶格以获得新的电子特性。

碳基量子材料的合成原则上可以利用丰富的有机化学，通过原子精密结构工程实现新的性能。50 多年前，W. A. Little 提出了一种室温有机超导体模型，该模型由一维导电链和一系列可极化侧链组成。从那时起，已经进行了无数努力来验证利特尔的提议，但都失败了。2016 年，Little 模型的基础机制——可极化基团介导的电子吸引——首次得到证实。研究使用单壁碳纳米管 (SWCNT) 作为一维导电链，沿其构建纳米管电路以提供单个可极化的“侧链”。这项工作通过化学植入可极化基团与 SWCNT 晶格对齐，提出了通往 Little 模型的途径。然而，在控制沿纳米管的反应位点方面存在重大挑战，这似乎是不可克服的，因为给定 SWCNT 上的一半碳原子在化学上是等效的，并且是剩余一半的对映异构体。该研究报告了一种 DNA 引导的化学反应来克服这一挑战。该研究通过共振拉曼和光致发光 (PL) 光谱筛选反应产物，并通过单粒子冷冻电子显微镜 (cryo-EM) 检查有希望的候选物的结构。该研究结果证明了不仅可以创建广泛的 SWCNT 衍生物，而且还可以特别构建一个 Little 模型的可行性。

光化学反应方案和光谱表征（图源自Science ）

从广义上讲，SWCNTs 的共价修饰是有机量子材料的一条有前途的途径。由于表面上的所有原子，单壁碳纳米管比其他固态材料更适合通过湿化学进行精密分子工程。此外，通过分选获得的各种手性形式的 SWCNT 为进一步的化学定制提供了多种电子结构。尽管共价键的化学性质没有完全揭示并且反应产物的结构相当无序，但研究人员仍然有动力追求有序的 SWCNT 晶格修饰，目的是寻找更有效的方法来探索纳米管手性和DNA 序列空间。该研究报告了一种使用 DNA 导向的鸟嘌呤 (G) 特异性交联化学的解决方案。 通过 DNA 筛选，该研究确定了一个序列 C3GC7GC3，其与 (8,3) 对映异构体的反应产生最小的无序诱导的拉曼模式强度和光致发光斯托克斯位移，表明形成了有序的缺陷阵列。 单粒子冷冻电子显微镜显示，功能化的 C3GC7GC3 (8,3) 具有 6.5 埃周期性的有序螺旋结构。 反应机理分析表明，螺旋周期是由一系列 G 修饰的碳 - 碳键沿扶手椅螺旋线分开固定距离产生的。 总之，该研究结果可用于重塑纳米管晶格以获得新的电子特性。