في الحمض النووي، يجد العلماء حلاً لهندسة الإلكترونيات التحويلية

إحدى النتائج المحتملة لمثل هذه المواد الهندسية يمكن أن تكون الموصلات الفائقة، التي ليس لديها مقاومة كهربائية، مما يسمح للإلكترونات بالتدفق دون عوائق. وهذا يعني أنها لا تفقد الطاقة ولا تنتج حرارة، على عكس وسائل نقل الكهرباء الحالية. إن تطوير موصل فائق يمكن استخدامه على نطاق واسع في درجة حرارة الغرفة - بدلاً من درجات الحرارة العالية أو المنخفضة للغاية، كما هو ممكن الآن - يمكن أن يؤدي إلى أجهزة كمبيوتر فائقة السرعة، وتقليص حجم الأجهزة الإلكترونية، والسماح للقطارات عالية السرعة بالتحرك. تطفو على المغناطيس وتخفض استخدام الطاقة، من بين فوائد أخرى.

تم اقتراح أحد هذه الموصلات الفائقة لأول مرة منذ أكثر من 50 عامًا بواسطة عالم الفيزياء في جامعة ستانفورد ويليام أ. ليتل. لقد أمضى العلماء عقودًا من الزمن في محاولة إنجاح هذه الفكرة، ولكن حتى بعد التحقق من جدوى فكرته، فقد وجدوا أنفسهم أمام تحدي بدا من المستحيل التغلب عليه. حتى الآن.

كان إدوارد إيجلمان، الحائز على درجة الدكتوراه، من قسم الكيمياء الحيوية وعلم الوراثة الجزيئية بجامعة فيرجينيا، رائدًا في مجال الفحص المجهري الإلكتروني بالتبريد (cryo-EM)، وقد استخدم هو وليتيسيا بيلتران، وهي طالبة دراسات عليا في مختبره، تقنية المجهر الإلكتروني بالتبريد. تصوير EM لهذا المشروع الذي يبدو مستحيلاً. وقال: 'إنه يوضح أن تقنية cryo-EM لها إمكانات كبيرة في أبحاث المواد'.

الهندسة على المستوى الذري

إحدى الطرق الممكنة لتحقيق فكرة ليتل عن الموصل الفائق هي تعديل شبكات أنابيب الكربون النانوية، وهي أسطوانات مجوفة من الكربون صغيرة جدًا لدرجة أنه يجب قياسها بالنانومتر - جزء من المليار من المتر. ولكن كان هناك تحدٍ كبير: التحكم في التفاعلات الكيميائية على طول الأنابيب النانوية بحيث يمكن تجميع الشبكة بدقة حسب الحاجة وتؤدي وظيفتها على النحو المنشود.

لقد وجد إيجلمان ومعاونوه الإجابة في اللبنات الأساسية للحياة. لقد أخذوا الحمض النووي، وهو المادة الجينية التي تخبر الخلايا الحية بكيفية عملها، واستخدموه لتوجيه التفاعل الكيميائي الذي من شأنه التغلب على الحاجز الكبير أمام الموصل الفائق الخاص بـ ليتل. باختصار، استخدموا الكيمياء لأداء هندسة إنشائية دقيقة ومذهلة - البناء على مستوى الجزيئات الفردية. وكانت النتيجة عبارة عن شبكة من أنابيب الكربون النانوية تم تجميعها حسب الحاجة للموصل الفائق الذي ابتكره ليتل في درجة حرارة الغرفة.

وقال إيجلمان: 'يوضح هذا العمل أنه يمكن تحقيق التعديل المطلوب لأنابيب الكربون النانوية من خلال الاستفادة من التحكم في تسلسل الحمض النووي على المسافة بين مواقع التفاعل المجاورة'.

ويقول الباحثون إن الشبكة التي بنوها لم يتم اختبارها من حيث الموصلية الفائقة، في الوقت الحالي، ولكنها تقدم دليلاً على المبدأ ولديها إمكانات كبيرة للمستقبل. قال إيجلمان، الذي أدى عمله السابق إلى دخوله في مجلة National Science: 'بينما برزت تقنية cryo-EM باعتبارها التقنية الرئيسية في علم الأحياء لتحديد التركيب الذري لتجمعات البروتين، إلا أن تأثيرها كان أقل بكثير حتى الآن في علم المواد'. أكاديمية العلوم، واحدة من أعلى الأوسمة التي يمكن أن يحصل عليها العالم.

يقول إيجلمان وزملاؤه إن نهجهم الموجه بالحمض النووي لبناء الشبكة يمكن أن يكون له مجموعة واسعة من التطبيقات البحثية المفيدة، خاصة في الفيزياء. ولكنه يؤكد أيضًا إمكانية بناء موصل فائق للكهرباء في درجة حرارة الغرفة. إن عمل العلماء، إلى جانب الإنجازات الأخرى في الموصلات الفائقة في السنوات الأخيرة، يمكن أن يؤدي في نهاية المطاف إلى تحويل التكنولوجيا كما نعرفها ويؤدي إلى مستقبل 'ستار تريك' أكثر بكثير.

وقال إيجلمان: 'بينما نفكر في علم الأحياء في كثير من الأحيان باستخدام أدوات وتقنيات من الفيزياء، فإن عملنا يظهر أن الأساليب التي يتم تطويرها في علم الأحياء يمكن تطبيقها بالفعل على مشاكل في الفيزياء والهندسة'. 'هذا هو الأمر المثير للغاية في العلم: عدم القدرة على التنبؤ إلى أين سيقود عملنا'

تم دعم هذا العمل من قبل المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا التابع لوزارة التجارة ومنحة المعاهد الوطنية للصحة GM122510، بالإضافة إلى زمالة ما بعد الدكتوراه من المجلس النرويجي للاجئين.