С помощта на ДНК учени успяват да преодолеят почти непреодолима пречка пред свръхпроводниците, които биха  направили революция в електрониката. Така макар биологията да използва инструменти и техники от физиката, новата работа показва, че подходите, разработвани в биологията, всъщност могат да се прилагат за проблеми във физиката и инженерството.

Един от възможните резултати от такива конструирани материали могат да бъдат свръхпроводници, които имат нулево електрическо съпротивление и позволяват на електроните да текат безпрепятствено. Това означава, че те не губят енергия и не създават топлина, за разлика от сегашните средства за пренос на електричество. Разработването на свръхпроводник, който може да се използва широко при стайна температура - вместо при изключително високи или ниски температури, както е възможно сега - би могло да доведе до създаването на свръхбързи компютри, да намали размера на електронните устройства, да позволи на високоскоростните влакове да се движат върху магнити и да намали потреблението на енергия, наред с други ползи.

Един такъв свръхпроводник е предложен за първи път преди повече от 50 години от физика от Станфорд Уилям Литъл (William A. Little). Учените са прекарали десетилетия в опити да го направят работещ, но дори след като са потвърдили осъществимостта на идеята му, те останали изправени пред предизвикателство, което изглеждало невъзможно за преодоляване. До сега.

Едуард Егелман (Edward H. Egelman), доктор на науките, от катедрата по биохимия и молекулярна генетика на Университета на Вирджиния, е лидер в областта на криоелектронната микроскопия (cryo-ЕМ) и заедно с Летисия Белтран (Leticia Beltran), дипломант в неговата лаборатория, използва cryo-ЕМ изображения за този на пръв поглед невъзможен проект.

"Това показва", казва Егелман, "че cryo-ЕМ техниката има голям потенциал в изследването на материалите."

Инженеринг на атомно ниво

Един от възможните начини за осъществяване на идеята на Литъл за свръхпроводник е да се модифицират решетките на въглеродните нанотръбички - кухи цилиндри от въглерод, толкова малки, че трябва да се измерват в нанометри - милиардни части от метъра. Но това е огромно предизвикателство: да се контролират химичните реакции по нанотръбите, така че решетката да бъде сглобена толкова точно, колкото е необходимо, и да функционира по предназначение.

Един от възможните начини за осъществяване на идеята на Литъл за свръхпроводник е да се модифицират решетките на въглеродните нанотръбички - кухи цилиндри от въглерод, толкова малки, че трябва да се измерват в нанометри - милиардни части от метъра. Но това е огромно предизвикателство: да се контролират химичните реакции по нанотръбите, така че решетката да бъде сглобена толкова точно, колкото е необходимо, и да функционира по предназначение.

Егелман и неговите сътрудници намират отговор в самите градивни елементи на живота. Те вземат ДНК, генетичния материал, който определя как да функционират живите клетки, и го използват, за да насочат химическа реакция, която да преодолее голямата бариера пред свръхпроводника на Литъл. Накратко, те използват химията, за да извършат изумително прецизно структурно инженерство - строителство на ниво отделни молекули. Резултатът е решетка от въглеродни нанотръбички, сглобена така, както е необходимо за свръхпроводника на Литъл при стайна температура.

"Тази работа демонстрира, че подредената модификация на въглеродни нанотръбички може да бъде постигната, като се използва контролът на ДНК последователността върху разстоянието между съседните места на реакция", обяснява Егелман.

Изградената от тях решетка засега не е тествана за свръхпроводимост, но тя предлага принципно доказателство и има голям потенциал за бъдещето, заявяват изследователите.

"Докато cryo-ЕМ се наложи като основна техника в биологията за определяне на атомните структури на белтъчни сглобки, досега тя е имала много по-малко влияние в материалознанието", коментира Егелман, член на американската Национална академия на науките.

Егелман и колегите му твърдят, че техният ДНК-контролиран подход за изграждане на решетки може да има широк спектър от полезни изследователски приложения, особено във физиката. Но той също така потвърждава възможността за изграждане на свръхпроводника на Литъл при стайна температура. Работата на учените, в съчетание с други пробиви в областта на свръхпроводниците през последните години, може в крайна сметка да промени технологиите, каквито ги познаваме.

"Въпреки че често мислим, че биологията използва инструменти и техники от физиката, нашата работа показва, че подходите, разработвани в биологията, всъщност могат да се прилагат за проблеми във физиката и инженерството", посочва Егелман. "Именно това е толкова вълнуващо в науката: да не можем да предвидим докъде ще доведе работата ни."

Справка: Zhiwei Lin et al, DNA-guided lattice remodeling of carbon nanotubes, Science (2022). DOI: 10.1126/science.abo4628

Източник: In DNA, scientists find solution to building superconductor that could transform technology
University of Virginia

Още по темата

05/05/2022

Физика

Нови възможности за свръхпроводимост при стайна температура

22/03/2021

Физика

Свръхпроводници при стайна температура без екстремно налягане. Възможно ли е?

15/10/2020

Физика

Свръхпроводимостта при стайна температура е постигната след 109 години опити (видео)

03/09/2019

Физика

Теоретично е предсказан свръхпроводник, който може да работи при 200° С