غلبه بر غیرممکن با DNA برای ساختن یک ابر رسانا که میتواند تکنولوژی را متحول کند.
مفهوم فیزیکی ذره چرخشی
دانشمندان در DNA یک محلول، یافتند که میتواند ابررسانایی را ایجاد کند که متحول کننده تکنولوژی است؛ میتواند سبب شود کامپیوترها با سرعت سرسام آوری کار کنند، انرژی را حفظ کند و حتی قطارها را به پرواز درآورد.
دانشمندان از DNA برای غلبه به یک مانع تقریبا برطرف نشدنی، برای مهندسی موادی که علم الکترونیک را دچار انقلابی بزرگ میکند، بهره بردند. در 28 جولای در مجله Science کار دانشگاه پزشکی ویرجینیا و همکارانشان منتشر شد.
یک دستاورد احتمالی از این مواد مهندسی شده، میتواند ابررساناها باشد که مقاومت الکتریکیشان صفر است و به الکترون ها اجازه میدهد آزادانه جریان داشته باشند. این به آن معنی است که بر عکس روش های فعلی انتقال الکتریکی، آنها گرما تولید نمیکنند و انرژی از دست نمیدهند. توسعه ابررسانا میتواند به طور گسترده در فشارهای نرمال و دمای اتاق به جای دماهای به شدت بالا یا پایین که الان وجود دارند، استفاده شود و شگفتی های فراوانی در حوزه تکنولوژی خلق کند. این شامل کامپیوترهای فوق العاده سریع، کاهش اندازه دستگاه های الکترونیکی، امکان حرکت قطارهای سریع السیر روی مگنت ها و کاهش مصرف انرژی و بسیار کاربردهای دیگر میشود.
بار اول، همچین ابررسانایی توسط فیزیکدان استنفورد به نام ویلیام ای. در حدود 50 سال پیش پیشنهاد شد. دانشمندان دهه ها زمان صرف عملی کردن این طرح کردند. با این حال، بعد از اعتبارسنجی سود مالی این ایده، آنها تا همین امروز با این چالش به ظاهر فائق نیامدنی رو به رو شدند که این طرح سود مالی مناسبی ندارد.
ادوارد ایگلمن
دکتر ادوارد اچ. ایگلمن(Edward H. Egelman) از گروه بیوتکنولوژی و ژنتیک مولکولی دانشگاه پزشکی ویرجینا، در زمینه میکروسکوپی کریو-الکترون (cryo-EM) پیشاهنگ بوده است ؛ او و لتیسیا بلتران، یک دانشجوی فارغ التحصیل در آزمایشگاهش از تصویر برداری cryo-EM برای این پروژه به ظاهر غیرممکن استفاده کردند. او میگوید ” نشان میدهد که تکنیک cryo-EM پتانسیل بزرگی در مطالعه مواد دارد.” اعتبار: دان آدیسون، ارتباطات UVA
مهندسی در سطح اتمی
یک راه ممکن برای درک ایده ی لیتل برای ابررسانا این است که lattices نانولوله های کربن را ارتقاء دهیم. این ها سیلندرهای توخالی کربنی هستند که در اندازه نانومتر کوچک هستند. با این حال، یک چالش بزرگ وجود دارد: کنترل واکنش های شیمیایی در نانولوله ها به جهت اینکه lattices بتواند به دقت سر هم شود و به درستی کار کند.
ایگلمن و همکارانش پاسخ را در ساختمان های سازنده حیات یافتند. آنها DNA ماده ژنتیکی ، که به سلول های زنده میگوید چطور کار کنند را گرفتند و از آن برای هدایت یک واکنش شیمیایی که میتواند بر سد بزرگ ابررسانای لیتل فائق شود، استفاده کردند. به طور خلاصه، آنها از شیمی برای اجرای ساخت مهندسی ساختار بسیار دقیقی در سطح مولکول های منفرد استفاده کردند. نتیجه lattices هایی از نانولوله های کربن بود که به طور ویژه در دمای اتاق مورد نیاز ابررسانای لیتل سرهم شدند.
ایگلمن گفت “این کار نشان می دهد که ارتقای نانو لوله کربن سفارشی میتواند با استفاده از کنترلی که توالی DNA بر فاصله اندازی بین جایگاه های شروع واکنش ها دارد، به دست بیاید.”
محققین میگویند فعلا lattices ای که آنها ساختند از جهت superconductivity آزمایش نشده است اما اثباتی برای این اصل را نوید میدهد و پتانسیل بزرگی برای آینده دارد. ایگلمن، کسی که کار اخیرش باعث شد در آکادمی ملی علوم عضو شود، یکی از مهمترین افتخاراتی که یک دانشمند میتواند کسب کند، گفته است “در حالی که cryo-EM به عنوان تکنیک اصلی در زیست شناسی برای تعیین ساختارهای اتمی سازه های پروتئینی توسعه یافتند، آن تاثیر گذاری را در علوم مواد ندارند.”
ایگلمن و همکارنش میگویند که رویکرد راهنما قرار دادن DNA آنها برای ساخت lattice میتواند کاربردهای تحقیقاتی گسترده ای به ویژه در فیزیک داشته باشد. اما همینطور احتمال ساخت ابررسانای دمای اتاق لیتل را نیز اعتبار میبخشد. تا جایی که ما میدانیم، کار دانشمندان در ترکیب با سایر دستاوردها در حوزه ابررساناها در سال های اخیر میتواند برای همیشه تکنولوژی را تغییر دهد و به سمت یک آینده شبیه “مسافران فضا” هدایت کند.
ایگلمن گفت “در حالی که ما معمولا به استفاده از ابزارها و تکنیک هایی از فیزیک در زیست شناسی فکر میکنیم، کار ما رویکردهایی را نشان میدهد که در زیست شناسی توسعه یافتند و در حل مسائل فیزیک و مهندسی کاربرد دارند. این همان چیزی است که درباره علم هیجان انگیز است: اینکه نتوانیم پیشبینی کنیم کارما به چه سمتی خواهد رفت.”
یافته های منتشر شده
محققین یافته هایشان را در مجله Science چاپ کردند. این تیم شامل Zhiwei Lin, Leticia Beltran Zeus A. De los Santos, Yinong Li, Tehseen Adel, Jeffrey A Fagan, Angela Hight Walker, Egelman و Ming Zheng بوده است.
منبع:
“DNA-guided lattice remodeling of carbon nanotubes” by Zhiwei Lin, Leticia C. Beltran, Zeus A. De los Santos, Yinong Li, Tehseen Adel, Jeffrey A Fagan, Angela R. Hight Walker, Edward H. Egelman and Ming Zheng, 28 July 2022, Science.
این پروژه توسط مؤسسه ملی استانداردها و فناوری وزارت بازرگانی و توسط مؤسسه ملی بهداشت GM122510 و همچنین توسط یک فلوشیپ فوق دکتری NRC پشتیبانی شد.