Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Forskare vid University of Virginia School of Medicine och deras medarbetare har använt DNA för att övervinna ett nästan oöverstigligt hinder för att konstruera material som skulle revolutionera elektroniken.
Ett möjligt resultat av sådana konstruerade material kan vara supraledare, som har noll elektriskt motstånd, vilket gör att elektroner kan flöda obehindrat. Det betyder att de inte förlorar energi och inte skapar värme, till skillnad från nuvarande sätt för elektrisk överföring. Utveckling av en supraledare som skulle kunna användas allmänt vid rumstemperatur – i stället för vid extremt höga eller låga temperaturer, som nu är möjligt – kan leda till hypersnabba datorer, krympa storleken på elektroniska enheter, tillåta höghastighetståg att flyta på magneter och minska energianvändningen, bland andra fördelar.
En sådan supraledare föreslogs först för mer än 50 år sedan av Stanford-fysikern William A. Little. Forskare har ägnat decennier åt att försöka få det att fungera, men även efter att ha validerat genomförbarheten av hans idé, lämnades de med en utmaning som verkade omöjlig att övervinna. Tills nu.
Edward H. Egelman, Ph.D., vid UVA:s institution för biokemi och molekylär genetik, har varit ledande inom området kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM), och han och Leticia Beltran, en doktorand i hans labb, använde cryo-EM-avbildning för detta till synes omöjliga projekt. "Det visar," sa han, "att cryo-EM-tekniken har stor potential inom materialforskning."
Ingenjörsteknik på atomnivå
Ett möjligt sätt att förverkliga Littles idé för en supraledare är att modifiera gitter av kolnanorör, ihåliga cylindrar av kol så små att de måste mätas i nanometer - miljarddelar av en meter. Men det fanns en stor utmaning:att kontrollera kemiska reaktioner längs nanorören så att gittret kunde sättas ihop så exakt som det behövs och fungera som avsett.
Egelman och hans medarbetare hittade ett svar i livets själva byggstenar. De tog DNA, det genetiska materialet som talar om för levande celler hur de ska fungera, och använde det för att styra en kemisk reaktion som skulle övervinna den stora barriären för Littles supraledare. Kort sagt, de använde kemi för att utföra häpnadsväckande exakt konstruktionsteknik - konstruktion på nivån för enskilda molekyler. Resultatet blev ett galler av kolnanorör monterade efter behov för Littles rumstemperatursupraledare.
"Detta arbete visar att beställd modifiering av kolnanorör kan uppnås genom att dra fördel av DNA-sekvenskontroll över avståndet mellan intilliggande reaktionsställen," sa Egelman.
Gallret de byggde har inte testats för supraledning, för nu, men det erbjuder principbevis och har stor potential för framtiden, säger forskarna. "Medan cryo-EM har dykt upp som den huvudsakliga tekniken inom biologi för att bestämma atomstrukturerna i proteinsammansättningar, har den hittills haft mycket mindre inverkan inom materialvetenskap", säger Egelman, vars tidigare arbete ledde till hans induktion i National Academy of Vetenskaper, en av de högsta utmärkelser en vetenskapsman kan få.
Egelman och hans kollegor säger att deras DNA-styrda tillvägagångssätt för gitterkonstruktion kan ha en mängd olika användbara forskningsapplikationer, särskilt inom fysik. Men det validerar också möjligheten att bygga Littles rumstemperatursupraledare. Forskarnas arbete, i kombination med andra genombrott inom supraledare under de senaste åren, kan i slutändan förvandla tekniken som vi känner den och leda till en mycket mer "Star Trek"-framtid.
"Medan vi ofta tänker på biologi med hjälp av verktyg och tekniker från fysiken, visar vårt arbete att de metoder som utvecklas inom biologi faktiskt kan tillämpas på problem inom fysik och ingenjörsvetenskap," sa Egelman. "Det här är det som är så spännande med vetenskap:att inte kunna förutsäga vart vårt arbete kommer att leda."
Forskarna har publicerat sina resultat i tidskriften Science . + Utforska vidare
