实验室林志伟教授团队：鸟嘌呤缺陷精准调控碳纳米管近红外发光

如何利用缺陷调控碳纳米管的发光性能是领域中一大挑战。过去通常依赖于随机引入缺陷来改变碳纳米管的发光特性，但往往会破坏原本完美的晶格和电子网络（π共轭系统）。更令人头疼的是，每次修饰后材料的最终性能犹如“开盲盒”，往往需要依靠反应结束后的测试来进行倒推，缺乏前瞻性的设计。

华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室林志伟教授团队利用DNA引导的鸟嘌呤特异性反应，在保持碳纳米管骨架完整性的基础上，实现了对晶格结构的温和且精准的调控。这一方法赋予了碳纳米管高达 ±1 nm 精度的发光波长调控能力，标志着纳米材料的缺陷工程正式告别“盲盒时代”，迈向“极致精准”的定制化新阶段（图1）。

图1 传统“盲盒式”随机修饰方法与DNA引导的鸟嘌呤精准定制策略对比

研究团队选取高纯度单手性碳纳米管，通过调整DNA序列中鸟嘌呤的比例控制缺陷密度。拉曼、吸收与发光光谱表明，随着缺陷增多，原有发射峰连续红移，而主要光学跃迁仍被保留。密度泛函理论计算和飞秒瞬态吸收结果进一步表明，引入鸟嘌呤构建的缺陷极为温和，不仅没有破坏原有的电子结构，反而为跃迁的载流子巧妙地“开辟”了一条全新的衰减通道（即带尾态）。在这条通道中，电子可以缓慢流向能量更低的位置，从而发出波长更长、能量更低的光。

为了实现碳纳米管光学性能的精准定制，团队对多种不同手性结构的单壁碳纳米管进行了系统研究，并成功推导出了一个具有普适性的“修饰指数公式”。不仅实现了误差在 ±1 nm 以内的光致发光波长（PL）精准控制，同时对另一种关键的光学信号——拉曼光谱（Raman）特征，也实现了偏差不到 1% 的高精度预测。

团队将精确调控的发光峰位与拉曼D带信号用于双通道编码：同一阵列在荧光和拉曼成像下分别显示“CHINA”和“WORLD”；另一阵列以近红外荧光呈现熊猫图案，并在拉曼图案中隐藏可解码文字。这些结果展示了精准缺陷设计在光学图案切换和多层信息加密中的可行性。

相关研究成果以“Inverse design of guanine-defects in carbon nanotubes forhigh-resolution emission tuning” 为题发表在Science Advances上，其中通讯作者为林志伟教授，第一作者为李依浓博士后。工作获国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金及国家发光材料与器件重点实验室基金等资助。