Science：利用DNA引导碳纳米管晶格重塑，有望开发出在室温下使用的超导体

在一项新的研究中，来自美国标准技术研究所、弗吉尼亚大学和中国华南理工大学的研究人员利用DNA克服了一个几乎不可逾越的障碍来设计将彻底改变电子产品的材料。相关研究结果发表在2022年7月29日的Science期刊上，论文标题为“DNA-guided lattice remodeling of carbon nanotubes”。

这类工程材料的一个可能的结果是超导体。超导体具有零电阻，使电子畅通无阻地流动。这意味着它们不会失去能量，也不会产生热量，与目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---而不是像现在这样在极高或极低的温度下使用---可以带来超快的计算机，缩小电子设备的尺寸，使高速列车可以在磁铁上漂浮，并减少能源使用，以及其他好处。

50多年前，斯坦福大学物理学者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使它发挥作用，但即使在验证了Little的想法的可行性之后，他们仍然面临着一个似乎无法克服的挑战。

论文共同作者、弗吉尼亚大学生物化学与分子遗传学系的Edward H. Egelman博士和他的实验室的研究生Leticia Beltran将低温电子显微镜成像用于这个看似不可能的项目。他说，“这表明，低温电镜技术在材料研究方面有很大的潜力。”

原子水平上的设计

实现Little关于超导体（下称Little超导体）的想法的一个可能的方法是修改碳纳米管的晶格，碳纳米管是空心圆柱体，非常微小，以纳米来衡量。但是有一个巨大的挑战：控制沿着碳纳米管的化学反应，以便它们的晶格能够按照需要精确地组装起来，并按照预期的功能发挥作用。

这些作者在生命的基本组成部分（DNA）中找到了答案。他们选择了DNA，即告诉活细胞如何运作的遗传物质，并利用它来指导化学反应，以克服设计Little超导体所面临的巨大障碍。简而言之，他们利用化学反应来进行惊人的精确结构设计---在单个分子的水平上进行构建。其结果是产生一种由碳纳米管组成的晶格，并按照Little的室温超导体的需要进行组装。

Egelman说，“这项新的研究证实，通过利用DNA序列对相邻反应位点之间间隔的控制，可以实现有序的碳纳米管修饰。”

这些作者说，他们建造的碳纳米管晶格目前还没有进行超导测试，但它提供了原理证明，并在未来有很大的潜力。Egelman说，“虽然低温电镜已经成为生物学中确定蛋白集合物原子结构的主要技术，但迄今为止，它在材料科学中的影响要小得多。”

Egelman和他的同事们说，他们的DNA引导的晶格构建方法可能有广泛的有用的研究应用，特别是在物理学方面。此外，它也验证了构建Little提出的室温超导体的可能性。他们的研究工作，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的技术，并引领一个更像电影《星际迷航（Star Trek）》的未来。

Egelman说，“虽然我们经常认为生物学使用来自物理学的工具和技术，但我们的研究工作表明，生物学中正在开发的方法实际上可以应用于解决物理学和工程学的问题。这就是科学的精彩之处：无法预测我们的研究工作将导致什么结果。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Zhiwei Lin et al. DNA-guided lattice remodeling of carbon nanotubes. Science, 2022, doi:10.1126/science.abo4628.