I DNA finder forskere en løsning på at bygge superledere, der kan transformere teknologi

Forskere ved University of Virginia School of Medicine og deres samarbejdspartnere har brugt DNA til at overvinde en næsten uoverstigelig hindring for ingeniørmaterialer, der ville revolutionere elektronik.

Et muligt resultat af sådanne konstruerede materialer kunne være superledere, som har nul elektrisk modstand, hvilket tillader elektroner at strømme uhindret. Det betyder, at de ikke mister energi og ikke skaber varme, i modsætning til nuværende midler til elektrisk transmission. Udvikling af en superleder, der kunne bruges bredt ved stuetemperatur - i stedet for ved ekstremt høje eller lave temperaturer, som det nu er muligt - kan føre til hyper-hurtige computere, formindske størrelsen af ​​elektroniske enheder, tillade højhastighedstog at flyde på magneter og skråstreg energiforbrug, blandt andre fordele.

En sådan superleder blev først foreslået for mere end 50 år siden af ​​Stanford-fysikeren William A. Little. Forskere har brugt årtier på at prøve at få det til at fungere, men selv efter at have valideret gennemførligheden af ​​hans idé, stod de tilbage med en udfordring, som syntes umulig at overkomme. Indtil nu.

Edward H. Egelman, Ph.D., fra UVA's Institut for Biokemi og Molekylær Genetik, har været førende inden for kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM), og han og Leticia Beltran, en kandidatstuderende i hans laboratorium, brugte kryo-EM-billeddannelse til dette tilsyneladende umulige projekt. "Det viser," sagde han, "at cryo-EM-teknikken har et stort potentiale inden for materialeforskning."

Engineering på atomniveau

En mulig måde at realisere Littles idé til en superleder på er at modificere gitter af kulstofnanorør, hule cylindre af kulstof så små, at de skal måles i nanometer - milliardtedele af en meter. Men der var en kæmpe udfordring:at kontrollere kemiske reaktioner langs nanorørene, så gitteret kunne samles så præcist som nødvendigt og fungere efter hensigten.

Egelman og hans samarbejdspartnere fandt et svar i selve livets byggesten. De tog DNA, det genetiske materiale, der fortæller levende celler, hvordan de skal fungere, og brugte det til at guide en kemisk reaktion, der ville overvinde den store barriere for Littles superleder. Kort sagt brugte de kemi til at udføre forbavsende præcis strukturel konstruktion - konstruktion på niveau med individuelle molekyler. Resultatet var et gitter af kulstof nanorør samlet efter behov til Littles stuetemperatur superleder.

"Dette arbejde viser, at bestilt carbon-nanorør-modifikation kan opnås ved at udnytte DNA-sekvenskontrol over afstanden mellem tilstødende reaktionssteder," sagde Egelman.

Det gitter, de byggede, er ikke blevet testet for superledning i øjeblikket, men det giver et principbevis og har et stort potentiale for fremtiden, siger forskerne. "Mens cryo-EM er dukket op som den vigtigste teknik inden for biologi til at bestemme atomstrukturerne af proteinsamlinger, har det indtil videre haft meget mindre indflydelse i materialevidenskab," sagde Egelman, hvis tidligere arbejde førte til hans induktion i National Academy of Videnskaber, en af ​​de højeste udmærkelser, en videnskabsmand kan modtage.

Egelman og hans kolleger siger, at deres DNA-guidede tilgang til gitterkonstruktion kan have en lang række nyttige forskningsapplikationer, især inden for fysik. Men det validerer også muligheden for at bygge Littles stuetemperatur-superleder. Forskernes arbejde, kombineret med andre gennembrud inden for superledere i de senere år, kan i sidste ende transformere teknologien, som vi kender den, og føre til en meget mere "Star Trek" fremtid.

"Mens vi ofte tænker på biologi ved hjælp af værktøjer og teknikker fra fysik, viser vores arbejde, at de tilgange, der udvikles i biologi, faktisk kan anvendes på problemer inden for fysik og teknik," sagde Egelman. "Det er det, der er så spændende ved videnskab:ikke at være i stand til at forudsige, hvor vores arbejde vil føre hen."

Forskerne har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Science . + Udforsk yderligere

Atomisk skala vindue til superledning baner vejen for nye kvantematerialer