科学家在DNA中找到了制造可以改变技术的超导体的解决方案

诸平

Credit: Pixabay/CC0 Public Domain

Edward H. Egelman

据美国弗吉尼亚大学（ University of Virginia简称UVA）2022年8月2日提供的消息，在DNA中，科学家们找到了制造可以改变技术的超导体的解决方案（In DNA, scientists find solution to building superconductor that could transform technology）。

弗吉尼亚大学医学院(University of Virginia School of Medicine)的科学家和他们的合作者已经使用 DNA 克服了工程材料将彻底改变电子学（electronics）的一个几乎无法克服的障碍。相关研究结果（“DNA引导的碳纳米管晶格重塑”）于2022年7月28日已经在《科学》（Science）杂志网站发表——Zhiwei Lin, Leticia C. Beltran, Zeus A. De Los Santos, Yinong Li, Tehseen Adel, Jeffrey A Fagan, Angela R. Hight Walker, Edward H. Egelman, Ming Zheng. DNA-guided lattice remodeling of carbon nanotubes. Science, 28 Jul 2022, 377 (6605): 535-539. DOI: 10.1126/science.abo462. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo4628

参与此项研究的除了来自美国弗吉尼亚大学的研究人员之外，还有来自美国国家标准与技术研究所（National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD 20899, USA）以及中国华南理工大学（South China University of Technology, Guangzhou 510640, China）的研究人员。

这种工程材料的一种可能结果可能是超导体，其电阻为零，允许电子畅通无阻地流动。这意味着它们不会损失能量，也不会产生热量，这与当前的电力传输方式不同。开发一种可以在室温下广泛使用的超导体——而不是像现在可能的那样在极高或极低的温度（extremely high or low temperatures）下使用——可能会导致超高速计算机、缩小电子设备的尺寸、允许高速列车（high-speed trains）漂浮于磁铁之上和削减能源使用，以及其他好处。

50 多年前，斯坦福大学的物理学家威廉·A·利特尔（William A. Little）首次提出了这样一种超导体。科学家们花了几十年的时间试图让它发挥作用，但即使在验证了他的想法的可行性之后，到现在他们仍然面临着似乎无法克服的挑战。

UVA生物化学和分子遗传学系（UVA's Department of Biochemistry and Molecular Genetics）的爱德华·埃格尔曼（Edward H. Egelman）博士一直是低温电子显微镜 (cryo-electron microscopy简称cryo-EM) 领域的领导者，他和他实验室的研究生莱蒂西亚·贝尔特伦（Leticia Beltran）使用cryo-EM，对于这个看似不可能的项目进行成像。“这表明cryo-EM技术在材料研究中具有巨大潜力，”他说。

原子级工程（Engineering at the atomic level）

实现威廉·A·利特尔关于超导体的想法的一种可能方法，就是修改碳纳米管的晶格，碳的空心圆柱体非常小，必须以纳米来度量。但是存在一个巨大的挑战：控制纳米管上的化学反应（chemical reactions），以便晶格可以根据需要精确组装并按预期发挥作用。

爱德华·埃格尔曼和他的合作者在生命的基石中找到了答案。他们提取了 DNA，这是一种告诉活细胞如何运作的遗传物质（genetic material ），并用它来指导化学反应，从而克服威廉·A·利特尔超导体的巨大障碍。简而言之，他们利用化学进行了令人惊讶的精确结构工程——在单个分子水平上进行构建。结果是根据威廉·A·利特尔的室温超导体的需要组装的碳纳米管晶格。 

“这项工作表明，可以通过利用 DNA 序列控制相邻反应位点之间的间距来实现有序的碳纳米管修饰，”爱德华·埃格尔曼说。

研究人员说，他们建造的晶格目前尚未经过超导性测试，但它提供了原理证明，并且在未来具有巨大潜力。“虽然cryo-EM已成为生物学中确定蛋白质组装原子结构的主要技术，但迄今为止它在材料科学（materials science）中的影响要小得多，”爱德华·埃格尔曼说，他之前的工作导致他成为美国国家科学院（National Academy of Sciences）院士，这是科学家可以获得的最高荣誉之一。

爱德华·埃格尔曼和他的同事说，他们的 DNA 引导的晶格构造方法可能具有广泛的有用研究应用，尤其是在物理学方面。但它也验证了制造利特尔室温超导体（Little's room-temperature superconductor）的可能性。科学家们的工作，再加上近年来在超导体方面的其他突破，最终可能会改变我们所知道的技术，并带来更加“星际迷航”的未来（"Star Trek" future）。

爱德华·埃格尔曼说：“虽然我们经常使用物理学的工具和技术来考虑生物学，但我们的工作表明，生物学中正在开发的方法实际上可以应用于物理学和工程学中的问题。这就是科学令人兴奋的地方：无法预测我们的工作将走向何方。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Atomic-scale window into superconductivity paves the way for new quantum materials

Ordering surface modifications

Although several methods exist for functionalizing the surface of carbon nanotubes, the sites modified tend to be random. However, ordered functionalization of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) could lead to quantum properties. Lin et al. screened short DNA sequences containing cytosine (C) and guanine (G) to control the placement of G for photo–cross-linking reactions (see the Perspective by Wang). Spectroscopy and cryo–electron microscopy showed that for the (8,3)-SWCNT enantiomer, the sequences C₃GC₇GC₃ regularly created an ordered helical structure with a 6.5-angstrom periodicity in which G bridges two carbon atoms. —PDS

Abstract

Covalent modification of carbon nanotubes is a promising strategy for engineering their electronic structures. However, keeping modification sites in registration with a nanotube lattice is challenging. We report a solution using DNA-directed, guanine (G)-specific cross-linking chemistry. Through DNA screening we identify a sequence, C₃GC₇GC₃, whose reaction with an (8,3) enantiomer yields minimum disorder-induced Raman mode intensities and photoluminescence Stokes shift, suggesting ordered defect array formation. Single-particle cryo–electron microscopy shows that the C₃GC₇GC₃ functionalized (8,3) has an ordered helical structure with a 6.5 angstroms periodicity. Reaction mechanism analysis suggests that the helical periodicity arises from an array of G-modified carbon-carbon bonds separated by a fixed distance along an armchair helical line. Our findings may be used to remodel nanotube lattices for novel electronic properties.