В ДНК ученые нашли решение для создания преобразующей электроники

Одним из возможных результатов таких инженерных материалов могут стать 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 чрезвычайно высоких или низких температурах, как это возможно сейчас, могла бы привести к созданию сверхбыстрых компьютеров, уменьшению размеров электронных устройств, позволить высокоскоростным поездам плавать на магнитах и ​​сокращать потребление энергии, помимо других преимуществ.

Один из таких сверхпроводников был впервые предложен более 50 лет назад физиком из Стэнфорда Уильямом А. Литтлом. Ученые потратили десятилетия, пытаясь заставить эту идею работать, но даже после подтверждения осуществимости своей идеи они столкнулись с проблемой, которую оказалось невозможно преодолеть. До настоящего времени.

Эдвард Х. Эгельман, доктор философии с кафедры биохимии и молекулярной генетики UVA, был лидером в области криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ), и он и Летиция Бельтран, аспирантка в его лаборатории, использовали крио-электронную микроскопию (крио-ЭМ). ЭМ-изображения для этого, казалось бы, невозможного проекта. «Это демонстрирует, — сказал он, — что крио-ЭМ-метод имеет большой потенциал в исследовании материалов».

Инженерия на атомном уровне

Один из возможных способов реализовать идею Литтла о сверхпроводнике — это модифицировать решетки углеродных нанотрубок, полые углеродные цилиндры, настолько крошечные, что их размеры должны измеряться в нанометрах — миллиардных долях метра. Но перед нами стояла огромная задача: управлять химическими реакциями вдоль нанотрубок, чтобы решетка могла быть собрана настолько точно, насколько необходимо, и функционировать так, как задумано.

Эгельман и его сотрудники нашли ответ в самих строительных блоках жизни. Они взяли ДНК, генетический материал, который сообщает живым клеткам, как действовать, и использовали ее для управления химической реакцией, которая позволила бы преодолеть огромный барьер на пути к сверхпроводнику Литтла. Короче говоря, они использовали химию для выполнения удивительно точного структурного проектирования – строительства на уровне отдельных молекул. Результатом стала решетка углеродных нанотрубок, собранная так, как это было необходимо для создания сверхпроводника Литтла при комнатной температуре.

«Эта работа демонстрирует, что упорядоченная модификация углеродных нанотрубок может быть достигнута путем использования контроля последовательности ДНК над расстоянием между соседними участками реакции», — сказал Эгельман.

Решетка, которую они построили, на данный момент не тестировалась на сверхпроводимость, но она является доказательством принципа и имеет большой потенциал на будущее, 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 введению в Национальную Академия наук, одна из самых высоких наград, которые может получить ученый.

Эгельман и его коллеги говорят, что их подход к построению решетки на основе ДНК может иметь множество полезных исследовательских приложений, особенно в физике. Но это также подтверждает возможность создания сверхпроводника Литтла при комнатной температуре. Работа учёных в сочетании с другими прорывами в области сверхпроводников последних лет может в конечном итоге трансформировать технологию, какой мы её знаем, и привести к гораздо более «Звездному пути» будущего.

«Хотя мы часто думаем о биологии, используя инструменты и методы физики, наша работа показывает, что подходы, разрабатываемые в биологии, на самом деле могут быть применены к проблемам физики и техники», — сказал Эгельман. «Вот что так интересно в науке: невозможность предсказать, к чему приведет наша работа».

Работа поддерживалась Национальным институтом стандартов и технологий Министерства торговли и грантом GM122510 Национального института здравоохранения, а также постдокторской стипендией NRC.