碳纳米管杂化分子的分子间作用力的定量研究

By using the noncovalent hybridization of single-walled carbon nanotube (CNT) and amphiphilic molecules, the dispersion, separation and assembly of CNT can be achieved in aqueous solution. Among them, intermolecular forces between CNT based hybrids play an important role, but their quantitative studies were mainly conducted by the methods of computer simulation and theoretical calculation. This project intends to use the experimental method to quantify the intermolecular forces between CNT based hybrids, especially measure the hydrophobic force for the first time. Taking DNA-CNT hybrids as the model molecules, this project first measures the intermolecular force-distance dependencies of DNA-CNT hybrids by the combination of osmotic stress method and X-ray scattering technique under varied salt concentrations, then the data are analyzed by modeling. Because the electrostatic repulsions of DNA-CNT and double-stranded DNA conform to the same scaling law, quantitative measurements of the electrostatic repulsion and hydrophobic force of DNA-CNT hybrids are obtained when taking double-stranded DNA as the reference. The influence of salt concentration, temperature, DNA content, DNA sequences and CNT chirality on the electrostatic repulsion and hydrophobic force of DNA-CNT hybrids are further investigated, which can be used to quantitatively clarify the mechanism of CNT separation. This study will help understand the dispersion, separation and assembly of CNT, and improve the preparation and application of CNT with high purity.

基于单壁碳纳米管(CNT)和两亲分子的非共价杂化， 可以实现CNT在水溶液中的分散、分离和组装。在其中，CNT杂化分子的分子间作用力扮演了重要角色，但它的定量研究多采用计算机模拟或理论计算的方法。本项目拟采用实验方法定量表征CNT杂化分子的分子间作用力，尤其是首次测得它的疏水作用。本项目以DNA-CNT杂化分子为研究体系，拟采用渗透压法和X射线散射技术，首先测得DNA-CNT在不同盐浓度下的分子间作用力-分子间距的关系，然后对数据进行建模分析。基于DNA-CNT和双链DNA的静电斥力符合相同的标度律，以双链DNA为参比，定量测得DNA-CNT的静电斥力和疏水作用。研究盐浓度、温度、DNA含量、DNA序列和CNT手性对于杂化分子的静电斥力和疏水作用的影响规律，定量阐明CNT的手性分离机理。本项目的研究将有助于理解CNT在水溶液中的分散、分离和组装，并为高纯度CNT的制备和应用提供帮助

单壁碳纳米管(SWCNT)具有许多优异的性能，但其分散和手性分离是现在研究的难点。DNA不仅可有效分散SWCNT, 还可对SWCNT进行手性分离，但它们的识别机理还尚不清楚。本项目中，我们首先采用X-ray衍射和渗透压相结合的方法，定量测定了DNA-SWCNT杂化分子在不同盐浓度下的分子间作用力。在高盐浓度下，杂化分子间的作用力出现了长程的引力作用，这是源于裸露的SWCNT表面所引起的疏水作用。采用双指数拟合，并以双链DNA的数据作为参比，我们建立了一种定量测定DNA-SWCNT杂化分子疏水作用的方法。然后，采用实验研究和计算机模拟相结合的方法，我们研究了DNA序列和SWCNT手性对于DNA-SWCNT杂化分子的结构和分子间作用力的影响。研究表明，有特异性识别作用的DNA对SWCNT的吸附作用更强、包裹更紧，因而其对SWCNT的分散质量更好，即具有更高含量的单分散SWCNT和更大的zeta电势。最后，我们研究了离子种类和离子浓度对DNA-SWCNT杂化分子的结构和分子间力的影响。随着盐浓度的增加， DNA-SWCNT杂化分子的稳定性逐渐降低，但近红外荧光先增大后减小。在所研究的一价盐中，NaSCN对DNA-SWCNT杂化分子的盐析作用最强，KCl对DNA-SWCNT杂化分子的荧光增强作用最显著。具有特异性识别作用的DNA-SWCNT杂化分子在盐溶液中更稳定。上述研究不仅有助于我们理解SWCNT表面DNA的构象以及它们的识别机理，还对基于SWCNT的功能材料的组装具有十分重要的意义。