Ученые из Медицинской школы и их сотрудники использовали ДНК, чтобы преодолеть почти непреодолимое препятствие на пути создания материалов, которые произвели бы революцию в электронике.
Одним из возможных результатов таких инженерных материалов могут быть сверхпроводники, которые имеют нулевое электрическое сопротивление, что позволяет электронам течь беспрепятственно. Это означает, что они не теряют энергию и не выделяют тепло, в отличие от современных средств передачи электроэнергии. Разработка сверхпроводника, который можно было бы широко использовать при комнатной температуре, а не при экстремально высоких или низких температурах, как это возможно сейчас, могла бы привести к сверхбыстрым компьютерам, уменьшить размеры электронных устройств, позволить высокоскоростным поездам плавать по магниты и резкое потребление энергии, среди других преимуществ.
Один такой сверхпроводник был впервые предложен более 50 лет назад физиком из Стэнфорда Уильямом А. Литтлом. Ученые потратили десятилетия, пытаясь заставить его работать, но даже после проверки осуществимости его идеи они столкнулись с проблемой, которую казалось невозможно решить. До нынешнего момента.
Эдвард Х. Эгельман, доктор философии, с кафедры биохимии и молекулярной генетики Университета штата Калифорния, был лидером в области криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ), и он и Летисия Белтран, аспирантка его лаборатории, использовали крио-электронную микроскопию. Электромагнитная визуализация для этого, казалось бы, невозможного проекта. «Это демонстрирует, — сказал он, — что метод крио-ЭМ имеет большой потенциал в исследовании материалов».
Инженерия на атомном уровне
Один из возможных способов реализовать идею Литтла о сверхпроводнике — модифицировать решетки углеродных нанотрубок, полых цилиндров из углерода, настолько крошечных, что они должны измеряться в нанометрах — миллиардных долях метра. Но перед ними стояла огромная задача: контролировать химические реакции вдоль нанотрубок, чтобы решетка могла быть собрана настолько точно, насколько это необходимо, и функционировала должным образом.
Эгельман и его сотрудники нашли ответ в самих строительных кирпичиках жизни. Они взяли ДНК, генетический материал, который сообщает живым клеткам, как действовать, и использовали его для управления химической реакцией, которая преодолела бы великий барьер на пути к сверхпроводнику Литтла. Короче говоря, они использовали химию для выполнения удивительно точной структурной инженерии — строительства на уровне отдельных молекул. В результате получилась решетка из углеродных нанотрубок, собранная по мере необходимости для сверхпроводника Литтла при комнатной температуре.
«Эта работа демонстрирует, что упорядоченная модификация углеродных нанотрубок может быть достигнута за счет использования контроля последовательности ДНК над расстоянием между соседними реакционными участками», — сказал Эгельман.
Решетка, которую они построили, пока не тестировалась на сверхпроводимость, но она предлагает доказательство принципа и имеет большой потенциал в будущем, говорят исследователи. «Хотя крио-ЭМ стала основным методом в биологии для определения атомных структур белковых сборок, до сих пор она оказала гораздо меньшее влияние на материаловедение», — сказал Эгельман, чья предыдущая работа привела к его введение в Национальную академию наукодна из самых высоких наград, которые может получить ученый.
Эгельман и его коллеги говорят, что их подход к построению решетки, основанный на ДНК, может найти широкое применение в исследованиях, особенно в физике. Но это также подтверждает возможность создания сверхпроводника Литтла при комнатной температуре. Работа ученых в сочетании с другими достижениями последних лет в области сверхпроводников может в конечном итоге изменить технологию, какой мы ее знаем, и привести к гораздо более похожему на «Звездный путь» будущему.
«Хотя мы часто думаем о биологии, используя инструменты и методы из физики, наша работа показывает, что подходы, разрабатываемые в биологии, действительно могут быть применены к проблемам физики и техники», — сказал Эгельман. «Вот что так захватывает в науке: невозможность предсказать, куда приведет наша работа».
Ссылка: Лин З., Белтран Л.С., Де лос Сантос З.А. и др. ДНК-управляемое ремоделирование решетки углеродных нанотрубок. Наука. 2022;377(6605):535-539. дои: 10.1126/наука.abo4628.
Эта статья была переиздана со следующего материалы. Примечание: материал мог быть отредактирован по длине и содержанию. За дополнительной информацией обращайтесь к указанному источнику.
