Οι επιστήμονες της Ιατρικής Σχολής του Πανεπιστημίου της Virginia και οι συνεργάτες τους χρησιμοποίησαν DNA για να ξεπεράσουν ένα σχεδόν ανυπέρβλητο εμπόδιο στην κατασκευή υλικών τα οποία θα μπορούσαν να φέρουν επανάσταση στα ηλεκτρονικά.
Ένα πιθανό αποτέλεσμα τέτοιων κατασκευασμένων υλικών θα μπορούσαν να είναι οι υπεραγωγοί, οι οποίοι εμφανίζουν μηδενική ηλεκτρική αντίσταση, επιτρέποντας στα ηλεκτρόνια να ρέουν ανεμπόδιστα. Αυτό σημαίνει ότι δεν χάνουν ενέργεια και δεν δημιουργούν θερμότητα, σε αντίθεση με τα σημερινά μέσα ηλεκτρικής μετάδοσης. Η ανάπτυξη ενός υπεραγωγού που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ευρέως σε θερμοκρασία δωματίου -αντί των εξαιρετικά χαμηλών θερμοκρασιών, όπως είναι δυνατό τουλάχιστον έως σήμερα- θα μπορούσε να οδηγήσει σε υπερταχείς υπολογιστές, να συρρικνώσει το μέγεθος των ηλεκτρονικών συσκευών, να επιτρέψει σε τρένα υψηλής ταχύτητας να επιπλέουν πάνω από μαγνήτες, καθώς και να ελαχιστοποιήσει την κατανάλωση ενέργειας.
Η πρόταση για έναν τέτοιου είδους υπεραγωγό έγινε για πρώτη φορά πριν από περισσότερα από 50 χρόνια, από τον φυσικό του Stanford William A. Little. Οι επιστήμονες πέρασαν δεκαετίες προσπαθώντας να τον υλοποιήσουν, αλλά ακόμη και μετά την επιβεβαίωση της δυνατότητας πραγματοποίησης της ιδέας του, έμειναν σταματημένοι μπροστά σε μια πρόκληση που φαινόταν αδύνατο να ξεπεραστεί. Μέχρι τώρα τουλάχιστον.
Ο Edward H. Egelman του Τμήματος Βιοχημείας και Μοριακής Γενετικής του UVA, υπήρξε πρωταγωνιστής στον τομέα της cryo-electron microscopy (cryo-EM) και, μαζί με τη Leticia Beltran, μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο εργαστήριό του, χρησιμοποίησε απεικόνιση cryo-EM για αυτό το φαινομενικά αδύνατο εγχείρημα. «Αποδεικνύει», όπως ο ίδιος είπε, «ότι η τεχνική cryo-EM έχει μεγάλες δυνατότητες στην έρευνα υλικών.»
Μηχανική σε ατομικό επίπεδο
Ένας πιθανός τρόπος για να πραγματοποιηθεί η ιδέα του Little για έναν υπεραγωγό, είναι να τροποποιηθούν πλέγματα νανοσωλήνων άνθρακα, κοίλων κυλίνδρων άνθρακα τόσο μικροσκοπικών που μετρώνται σε νανόμετρα (δισεκατομμυριοστά του μέτρου). Όμως υπήρχε μια τεράστια πρόκληση: το πως θα ελεγχθούν οι χημικές αντιδράσεις κατά μήκος των νανοσωλήνων, έτσι ώστε το πλέγμα να μπορεί να συναρμολογηθεί με την ακρίβεια που απαιτείται και, επίσης, να λειτουργήσει όπως ακριβώς προβλέπεται.
Ο Egelman και οι συνεργάτες του βρήκαν μια απάντηση στα ίδια τα δομικά στοιχεία της ζωής. Πήραν DNA, το γενετικό υλικό που λέει στα ζωντανά κύτταρα πώς να λειτουργούν, και το χρησιμοποίησαν για να καθοδηγήσουν μια χημική αντίδραση, η οποία θα ξεπερνούσε το μεγάλο εμπόδιο για τον υπεραγωγό που πρότεινε ο Little. Εν ολίγοις, χρησιμοποίησαν τη χημεία για να εκτελέσουν εκπληκτικά ακριβή δομική μηχανική – για την ακρίβεια, κατασκευές σε επίπεδο μεμονωμένων μορίων. Το αποτέλεσμα ήταν ένα πλέγμα από νανοσωλήνες άνθρακα, οι οποίοι συναρμολογήθηκαν όπως ακριβώς απαιτείται για τον υπεραγωγό θερμοκρασίας δωματίου του Little.
«Η εργασία αυτή αποδεικνύει ότι εκμεταλλευόμενοι τον έλεγχο της αλληλουχίας DNA στα διαστήματα μεταξύ των παρακείμενων σημείων αντίδρασης, είναι δυνατό να επιτευχθεί η τροποποίηση διατεταγμένων νανοσωλήνων άνθρακα», λέει ο Egelman.
Το πλέγμα που κατασκεύασαν δεν έχει δοκιμαστεί -προς το παρόν- για υπεραγωγιμότητα, αλλά αποτελεί απόδειξη αυτής της αρχής και έχει μεγάλες δυνατότητες για το μέλλον, δηλώνουν οι ερευνητές. «Παρά το ότι το cryo-EM έχει αναδειχθεί ως η κύρια τεχνική στη βιολογία για τον προσδιορισμό των ατομικών δομών των συγκεντρώσεων πρωτεϊνών, ο μέχρι στιγμής αντίκτυπός της στην επιστήμη των υλικών είναι πολύ μικρότερος», δηλώνει ο Egelman, ο οποίος -ήδη από το έως τώρα έργο του- έχει γίνει δεκτός στην Εθνική Ακαδημία Επιστημών, κάτι που αποτελεί μια από τις υψηλότερες διακρίσεις που μπορεί να λάβει ένας επιστήμονας.
Ο Egelman και οι συνάδελφοί του λένε ότι η καθοδηγούμενη από το DNA προσέγγισή τους στην κατασκευή πλέγματος θα μπορούσε να έχει μεγάλη ποικιλία χρήσιμων ερευνητικών εφαρμογών, ειδικά επάνω στη Φυσική. Αλλά επικυρώνει επίσης τη δυνατότητα κατασκευής του υπεραγωγού θερμοκρασίας δωματίου του Little. Η εργασία των επιστημόνων, σε συνδυασμό με άλλες ανακαλύψεις στους υπεραγωγούς που έχουν γίνει τα τελευταία χρόνια, θα μπορούσε τελικά να μεταμορφώσει την τεχνολογία όπως την ξέρουμε.
Ενώ συχνά βλέπουμε τη Βιολογία ως επιστήμη που χρησιμοποιεί εργαλεία και τεχνικές από τη φυσική, η δουλειά μας δείχνει ότι οι προσεγγίσεις που αναπτύσσονται στη βιολογία μπορούν πραγματικά να εφαρμοστούν επάνω σε προβλήματα στη Φυσική και τη Μηχανική», λέει ο Egelman. «Αυτό είναι το τόσο συναρπαστικό με την επιστήμη: το να μην είμαστε σε θέση να προβλέψουμε πού θα οδηγήσει η δουλειά μας.»
Παραπομπές:
Zhiwei Lin et al, DNA-guided lattice remodeling of carbon nanotubes, Science (2022). DOI: 10.1126/science.abo4628
Πηγή: https://phys.org/
