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Gli scienziati della University of Virginia School of Medicine e i loro collaboratori hanno usato il DNA per superare un ostacolo quasi insormontabile per progettare materiali che avrebbero rivoluzionato l'elettronica.
Un possibile risultato di tali materiali ingegnerizzati potrebbe essere i superconduttori, che hanno una resistenza elettrica zero, consentendo agli elettroni di fluire senza ostacoli. Ciò significa che non perdono energia e non creano calore, a differenza degli attuali mezzi di trasmissione elettrica. Lo sviluppo di un superconduttore che potrebbe essere ampiamente utilizzato a temperatura ambiente, invece che a temperature estremamente alte o basse, come è ora possibile, potrebbe portare a computer iperveloci, ridurre le dimensioni dei dispositivi elettronici, consentire ai treni ad alta velocità di galleggiare magneti e consumo energetico ridotto, tra gli altri vantaggi.
Uno di questi superconduttori è stato proposto per la prima volta più di 50 anni fa dal fisico di Stanford William A. Little. Gli scienziati hanno trascorso decenni cercando di farlo funzionare, ma anche dopo aver convalidato la fattibilità della sua idea, si è trovata di fronte a una sfida che sembrava impossibile da superare. Fino ad ora.
Edward H. Egelman, Ph.D., del Dipartimento di Biochimica e Genetica Molecolare dell'UVA, è stato un leader nel campo della microscopia crioelettronica (crio-EM) e lui e Leticia Beltran, una studentessa laureata nel suo laboratorio, ha utilizzato l'imaging crio-EM per questo progetto apparentemente impossibile. "Dimostra", ha detto, "che la tecnica cryo-EM ha un grande potenziale nella ricerca sui materiali".
Ingegneria a livello atomico
Un modo possibile per realizzare l'idea di Little per un superconduttore è modificare i reticoli di nanotubi di carbonio, cilindri cavi di carbonio così minuscoli da dover essere misurati in nanometri, miliardesimi di metro. Ma c'era una sfida enorme:controllare le reazioni chimiche lungo i nanotubi in modo che il reticolo potesse essere assemblato con la precisione necessaria e funzionare come previsto.
Egelman ei suoi collaboratori hanno trovato una risposta nei mattoni stessi della vita. Hanno preso il DNA, il materiale genetico che dice alle cellule viventi come operare, e lo hanno usato per guidare una reazione chimica che avrebbe superato la grande barriera al superconduttore di Little. In breve, hanno usato la chimica per eseguire un'ingegneria strutturale sorprendentemente precisa, una costruzione a livello di singole molecole. Il risultato è stato un reticolo di nanotubi di carbonio assemblati secondo necessità per il superconduttore a temperatura ambiente di Little.
"Questo lavoro dimostra che la modifica ordinata dei nanotubi di carbonio può essere ottenuta sfruttando il controllo della sequenza del DNA sulla spaziatura tra i siti di reazione adiacenti", ha affermato Egelman.
Il reticolo che hanno costruito non è stato testato per la superconduttività, per ora, ma offre una prova di principio e ha un grande potenziale per il futuro, affermano i ricercatori. "Sebbene la crio-EM sia emersa come la tecnica principale in biologia per determinare le strutture atomiche degli assemblaggi proteici, finora ha avuto un impatto molto minore nella scienza dei materiali", ha affermato Egelman, il cui lavoro precedente ha portato alla sua introduzione alla National Academy of Scienze, uno dei più alti riconoscimenti che uno scienziato possa ricevere.
Egelman e i suoi colleghi affermano che il loro approccio guidato dal DNA alla costruzione del reticolo potrebbe avere un'ampia varietà di utili applicazioni di ricerca, specialmente in fisica. Ma convalida anche la possibilità di costruire il superconduttore a temperatura ambiente di Little. Il lavoro degli scienziati, combinato con altre scoperte nei superconduttori negli ultimi anni, potrebbe alla fine trasformare la tecnologia come la conosciamo e portare a un futuro molto più "Star Trek".
"Anche se spesso pensiamo alla biologia utilizzando strumenti e tecniche della fisica, il nostro lavoro mostra che gli approcci sviluppati in biologia possono effettivamente essere applicati a problemi di fisica e ingegneria", ha affermato Egelman. "Questo è ciò che rende così eccitante la scienza:non essere in grado di prevedere dove porterà il nostro lavoro."
I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Scienza . + Esplora ulteriormente
