Phát hiện giải pháp tạo siêu dẫn trong DNA có thể làm thay đổi công nghệ

Một trong số rất nhiều kết quả mà các vật liệu được thiết kế có thể đạt được là các chất siêu dẫn – những chất cho phép các dòng điện tích đi qua mà không gặp bất kỳ lực cản nào. Điều đó có nghĩa là chúng không bị mất năng lượng và không tạo ra nhiệt, không giống như việc truyền tải điện năng hiện nay. Việc phát triển một siêu dẫn có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng thay vì mức nhiệt độ cực cao hoặc cực thấp có thể dẫn đến việc tạo ra những máy tính siêu nhanh, giảm bớt kích thước của các thiết bị điện tử, cho phép tàu điện siêu tốc chạy trên đệm từ trường đạt và giảm bớt điện năng… cùng nhiều lợi ích khác.

Siêu dẫn lần đầu tiên được nhà vật lý trường Stanford William A. Little đề xuất lần đầu tiên vào hơn 50 năm trước. Các nhà khoa học đã dành nhiều thập kỷ để làm theo đề xuất này nhưng ngay cả khi đánh giá được tính khả thi của ý tưởng thì vẫn còn nhiều thách thức. Cho đến tận bây giờ.

Tiến sĩ Edward H. Egelman, Khoa Hóa sinh và di truyền phân tử của ĐH Virginia, từ lâu đã là người đi đầu trong lĩnh vực kính hiển vi điện tử nhiệt độ thấp (cryo-EM). Ông và Leticia Beltran, một học viên trong phòng thí nghiệm của mình, đã sử dụng hình ảnh cryo-EM để nghiên cứu ý tưởng dường như không thể này. “Kỹ thuật cryo-EM có tiềm năng lớn trong nghiên cứu về vật liệu”.

Kỹ thuật ở cấp độ hạt nhân

Một cách có thể để hiện thực được ý tưởng về siêu dẫn của Little là biến đổi các mạng tinh thể ống nano carbon, làm rỗng các cylinder carbon để đo đạc ở mức nano mét – phần tỉ một mét. Nhưng có một thách thức lớn: kiểm soát các phản ứng hóa học dọc ống nano vì vậy mạng tinh thể có thể được lắp ráp chính xác theo nhu cầu và chức năng mong muốn.

Egelman và cộng sự đi tìm câu trả lời trong những khối cơ bản của sự sống. Họ chọn DNA, vật liệu di truyền có thể cho biết các tế bào sống được vận hành như thế nào và sử dụng nó để hướng dẫn một phản ứng hóa học có thể giúp vượt qua rào cản lớn đến siêu dẫn của Little. Họ sử dụng hóa học để thực hiện kỹ thuật cấu trúc chính xác một cách đáng kinh ngạc – xây dựng cấu trúc tại mức độ đơn phân tử. Kết quả là một mạng tinh thể nano ống carbon được lắp ráp theo nhu cầu về siêu dẫn ở nhiệt độ phòng của Little.

“Công trình này cho thấy có thể đạt được việc chỉnh sửa ống nano carbon theo trình tự bằng việc thực hiện kiểm soát dãy DNA ở không gian giữa các vị trí phản ứng liền kề nhau”, Egelman nói.

Mạng tinh thể mà họ xây dựng cho đến hiện tại không chỉ để thử nghiệm cho siêu dẫn mà còn đề ra nguyên tắc nền tảng cho những tiềm năng lớn hơn trong tương lai, các nhà nghiên cứu cho biết. “Cryo-EM xuất hiện như một kỹ thuật quan trọng trong sinh học để xác định cấu trúc của tập hợp các protein ở cấp độ nguyên tử, nhưng cho đến nay chưa được sử dụng nhiều như khoa học vật liệu”, Egelman nói.

Egelman và đồng nghiệp cho biết cách tiếp cận kiểm soát DNA cho cấu trúc mạng tinh thể có thể rất hữu dụng trong nhiều ứng dụng nghiên cứu, đặc biệt trong vật lý. Nó cũng xác nhận khả năng có thể xây dựng siêu dẫn trong nhiệt độ phòng của Little. Công trình này kết hợp với những đột phá về siêu dẫn trong nhiều năm có thể dẫn đến làm thay đổi công nghệ như chúng ta biết và dẫn đến nhiều dạng “Star Trek” trong tương lai.

“Trong khi chúng ta thường nghĩ sinh học sử dụng các công cụ và kỹ thuật từ vật lý, công trình của chúng tôi cho thấy các cách tiếp cận được hình thành từ sinh học có thể trên thực tế được ứng dụng cho các vấn đề vật lý và kỹ thuật”, Egelman nói. “Đây là điều rất thú vị đối với khoa học: không thể dự đoán được công việc của chúng ta sẽ dẫn chúng ta đến đâu”.

Các nhà nghiên cứu đã xuất bản công trình trên tạp chí Science.

Thanh Phương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2022-08-dna-scientists-solution-superconductor-technology.html