Wetenschappers van de University of Virginia School of Medicine en hun medewerkers hebben DNA gebruikt om een ​​bijna onoverkomelijk obstakel te overwinnen om materialen te ontwikkelen die een revolutie teweeg zouden brengen in de elektronica.

Een mogelijk resultaat van dergelijke geconstrueerde materialen zou supergeleiders kunnen zijn, die geen elektrische weerstand hebben, waardoor elektronen ongehinderd kunnen stromen. Dat betekent dat ze geen energie verliezen en geen warmte creëren, in tegenstelling tot de huidige middelen van elektrische transmissie. De ontwikkeling van een supergeleider die op grote schaal kan worden gebruikt bij kamertemperatuur - in plaats van bij extreem hoge of lage temperaturen, zoals nu mogelijk is - zou kunnen leiden tot hypersnelle computers, de omvang van elektronische apparaten verkleinen, hogesnelheidstreinen laten drijven op magneten en slash energieverbruik, naast andere voordelen.

Een dergelijke supergeleider werd meer dan 50 jaar geleden voor het eerst voorgesteld door de natuurkundige William A. Little van Stanford. Wetenschappers hebben tientallen jaren geprobeerd om het te laten werken, maar zelfs nadat ze de haalbaarheid van zijn idee hadden gevalideerd, bleven ze achter met een uitdaging die onmogelijk leek te overwinnen. Tot nu toe.

Edward H. Egelman, Ph.D., van de afdeling Biochemie en Moleculaire Genetica van UVA, is een leider op het gebied van cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM), en hij en Leticia Beltran, een afgestudeerde student in zijn laboratorium, gebruikte cryo-EM-beeldvorming voor dit schijnbaar onmogelijke project. "Het toont aan," zei hij, "dat de cryo-EM-techniek een groot potentieel heeft in materiaalonderzoek."

Engineering op atomair niveau

Een mogelijke manier om Little's idee voor een supergeleider te realiseren, is door roosters van koolstofnanobuisjes te modificeren, holle cilinders van koolstof die zo klein zijn dat ze in nanometers - miljardsten van een meter moeten worden gemeten. Maar er was een enorme uitdaging:het beheersen van chemische reacties langs de nanobuisjes zodat het rooster zo precies als nodig kon worden geassembleerd en functioneerde zoals bedoeld.

Egelman en zijn medewerkers vonden een antwoord in de bouwstenen van het leven. Ze namen DNA, het genetische materiaal dat levende cellen vertelt hoe ze moeten werken, en gebruikten het om een ​​chemische reactie te leiden die de grote barrière naar Little's supergeleider zou overwinnen. Kortom, ze gebruikten chemie om verbazingwekkend nauwkeurige structurele engineering uit te voeren - constructie op het niveau van individuele moleculen. Het resultaat was een rooster van koolstofnanobuisjes die naar behoefte waren geassembleerd voor Little's supergeleider bij kamertemperatuur.

"Dit werk toont aan dat geordende modificatie van koolstofnanobuisjes kan worden bereikt door gebruik te maken van DNA-sequentiecontrole over de afstand tussen aangrenzende reactieplaatsen," zei Egelman.

Het rooster dat ze bouwden is voorlopig niet getest op supergeleiding, maar het biedt een principieel bewijs en heeft een groot potentieel voor de toekomst, zeggen de onderzoekers. "Hoewel cryo-EM naar voren is gekomen als de belangrijkste techniek in de biologie voor het bepalen van de atomaire structuren van eiwitassemblages, heeft het tot nu toe veel minder impact gehad in de materiaalwetenschap", zei Egelman, wiens eerdere werk leidde tot zijn introductie in de National Academy of Wetenschappen, een van de hoogste onderscheidingen die een wetenschapper kan krijgen.

Egelman en zijn collega's zeggen dat hun DNA-geleide benadering van roosterconstructie een breed scala aan nuttige onderzoekstoepassingen zou kunnen hebben, vooral in de natuurkunde. Maar het valideert ook de mogelijkheid om Little's supergeleider op kamertemperatuur te bouwen. Het werk van de wetenschappers, gecombineerd met andere doorbraken in supergeleiders in de afgelopen jaren, zou uiteindelijk de technologie zoals we die kennen kunnen transformeren en leiden tot een veel meer 'Star Trek'-toekomst.

"Hoewel we vaak aan biologie denken met behulp van hulpmiddelen en technieken uit de natuurkunde, laat ons werk zien dat de benaderingen die in de biologie worden ontwikkeld, daadwerkelijk kunnen worden toegepast op problemen in de natuurkunde en techniek," zei Egelman. "Dit is wat zo opwindend is aan wetenschap:niet kunnen voorspellen waar ons werk toe zal leiden."

De onderzoekers hebben hun bevindingen gepubliceerd in het tijdschrift Science . + Verder verkennen

Een venster op atoomschaal naar supergeleiding maakt de weg vrij voor nieuwe kwantummaterialen