In der DNA finden Wissenschaftler eine Lösung für die Entwicklung transformativer Elektronik

Ein mögliches Ergebnis solcher technischen Materialien könnten Supraleiter sein, die keinen elektrischen Widerstand haben und den Elektronen ungehindert fließen lassen. Das bedeutet, dass sie im Gegensatz zu herkömmlichen elektrischen Übertragungsmitteln keine Energie verlieren und keine Wärme erzeugen. Die Entwicklung eines Supraleiters, der bei Raumtemperatur weit verbreitet eingesetzt werden könnte – statt bei extrem hohen oder niedrigen Temperaturen, wie es jetzt möglich ist – könnte zu hyperschnellen Computern führen, die Größe elektronischer Geräte verkleinern und Hochgeschwindigkeitszüge ermöglichen Schweben Sie auf Magneten und reduzieren Sie unter anderem den Energieverbrauch.

Ein solcher Supraleiter wurde erstmals vor mehr als 50 Jahren vom Stanford-Physiker William A. Little vorgeschlagen. Wissenschaftler haben jahrzehntelang versucht, es zum Laufen zu bringen, aber selbst nachdem sie die Machbarkeit seiner Idee bestätigt hatten, standen sie vor einer Herausforderung, die scheinbar unmöglich zu bewältigen war. Bisher.

Edward H. Egelman, PhD, von der Abteilung für Biochemie und Molekulargenetik der UVA, war führend auf dem Gebiet der Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), und er und Leticia Beltran, eine Doktorandin in seinem Labor, verwendeten Kryo- EM-Bildgebung für dieses scheinbar unmögliche Projekt. „Es zeigt“, sagte er, „dass die Kryo-EM-Technik großes Potenzial in der Materialforschung hat.“

Ingenieurwesen auf atomarer Ebene

Eine Möglichkeit, Littles Idee für einen Supraleiter zu verwirklichen, besteht darin, Gitter aus Kohlenstoffnanoröhren zu modifizieren, Hohlzylinder aus Kohlenstoff, die so winzig sind, dass sie in Nanometern – Milliardstel Metern – gemessen werden müssen. Doch es gab eine große Herausforderung: Die chemischen Reaktionen entlang der Nanoröhren zu kontrollieren, damit das Gitter so präzise wie nötig zusammengesetzt werden konnte und wie vorgesehen funktionierte.

Egelman und seine Mitarbeiter fanden eine Antwort in den Grundbausteinen des Lebens. Sie nahmen DNA, das genetische Material, das lebenden Zellen sagt, wie sie funktionieren sollen, und nutzten es, um eine chemische Reaktion zu steuern, die die große Barriere zum Little-Supraleiter überwinden sollte. Kurz gesagt, sie nutzten die Chemie, um erstaunlich präzise Strukturtechniken durchzuführen – Konstruktionen auf der Ebene einzelner Moleküle. Das Ergebnis war ein Gitter aus Kohlenstoffnanoröhren, das nach Bedarf für Littles Raumtemperatur-Supraleiter zusammengesetzt war.

„Diese Arbeit zeigt, dass eine geordnete Modifikation von Kohlenstoffnanoröhren erreicht werden kann, indem man sich die DNA-Sequenzkontrolle über den Abstand zwischen benachbarten Reaktionsstellen zunutze macht“, sagte Egelman.

Das von ihnen gebaute Gitter wurde noch nicht auf Supraleitung getestet, aber es bietet einen Beweis des Prinzips und hat großes Potenzial für die Zukunft, sagen die Forscher. „Während sich Kryo-EM in der Biologie als die wichtigste Technik zur Bestimmung der atomaren Strukturen von Proteinanordnungen herausgestellt hat, hatte sie in der Materialwissenschaft bislang weit weniger Einfluss“, sagte Egelman, dessen frühere Arbeit zu seiner Aufnahme in das National führte Akademie der Wissenschaften, eine der höchsten Auszeichnungen, die ein Wissenschaftler erhalten kann.

Egelman und seine Kollegen sagen, dass ihr DNA-gesteuerter Ansatz zur Gitterkonstruktion eine Vielzahl nützlicher Forschungsanwendungen haben könnte, insbesondere in der Physik. Aber es bestätigt auch die Möglichkeit, Littles Raumtemperatur-Supraleiter zu bauen. Die Arbeit der Wissenschaftler könnte in Kombination mit anderen Durchbrüchen bei Supraleitern in den letzten Jahren letztendlich die Technologie, wie wir sie kennen, verändern und zu einer viel „Star Trek“-Zukunft führen.

„Obwohl wir bei der Biologie oft an Werkzeuge und Techniken aus der Physik denken, zeigt unsere Arbeit, dass die in der Biologie entwickelten Ansätze tatsächlich auf Probleme in der Physik und im Ingenieurwesen angewendet werden können“, sagte Egelman. „Das ist das Spannende an der Wissenschaft: Wir können nicht vorhersagen, wohin unsere Arbeit führen wird.“

Die Arbeit wurde vom National Institute of Standards and Technology des Handelsministeriums und vom National Institutes of Health Grant GM122510 sowie durch ein NRC-Postdoktorandenstipendium unterstützt.