La solution à l’ingénierie de l’électronique transformatrice trouvée dans l’ADN
Les scientifiques de l’École de médecine et leurs collaborateurs ont utilisé l’ADN pour surmonter un obstacle presque insurmontable pour concevoir des matériaux qui révolutionneraient l’électronique.
Un résultat possible de ces matériaux d’ingénierie pourrait être des supraconducteurs, qui ont une résistance électrique nulle, permettant aux électrons de circuler sans entrave. Cela signifie qu’ils ne perdent pas d’énergie et ne créent pas de chaleur, contrairement aux moyens de transmission électrique actuels. Le développement d’un supraconducteur qui pourrait être largement utilisé à température ambiante – plutôt qu’à des températures extrêmement élevées ou basses, comme c’est désormais possible – pourrait conduire à des ordinateurs ultra-rapides, réduire la taille des appareils électroniques, permettre aux trains à grande vitesse de flotter sur aimants et réduire la consommation d’énergie, entre autres avantages.
Un tel supraconducteur a été proposé pour la première fois il y a plus de 50 ans par le physicien de Stanford William A. Little. Les scientifiques ont passé des décennies à essayer de le faire fonctionner, mais même après avoir validé la faisabilité de son idée, ils se sont retrouvés avec un défi qui semblait impossible à surmonter. Jusqu’ici.
Edward H. Egelman, PhD, du Département de biochimie et de génétique moléculaire de l’UVA, a été un chef de file dans le domaine de la cryo-microscopie électronique (cryo-EM), et lui et Leticia Beltran, une étudiante diplômée de son laboratoire, ont utilisé la cryo- Imagerie EM pour ce projet apparemment impossible. « Cela démontre », a-t-il dit, « que la technique cryo-EM a un grand potentiel dans la recherche sur les matériaux. »
Ingénierie au niveau atomique
Une façon possible de concrétiser l’idée de Little pour un supraconducteur est de modifier des réseaux de nanotubes de carbone, des cylindres creux de carbone si minuscules qu’ils doivent être mesurés en nanomètres – des milliardièmes de mètre. Mais il y avait un énorme défi : contrôler les réactions chimiques le long des nanotubes afin que le réseau puisse être assemblé aussi précisément que nécessaire et fonctionner comme prévu.
Egelman et ses collaborateurs ont trouvé une réponse dans les éléments constitutifs mêmes de la vie. Ils ont pris de l’ADN, le matériel génétique qui indique aux cellules vivantes comment fonctionner, et l’ont utilisé pour guider une réaction chimique qui surmonterait la grande barrière au supraconducteur de Little. En bref, ils ont utilisé la chimie pour réaliser une ingénierie structurelle étonnamment précise – la construction au niveau des molécules individuelles. Le résultat était un réseau de nanotubes de carbone assemblés selon les besoins pour le supraconducteur à température ambiante de Little.
« Ce travail démontre que la modification ordonnée des nanotubes de carbone peut être obtenue en tirant parti du contrôle de la séquence d’ADN sur l’espacement entre les sites de réaction adjacents », a déclaré Egelman.
Le réseau qu’ils ont construit n’a pas été testé pour la supraconductivité, pour l’instant, mais il offre une preuve de principe et a un grand potentiel pour l’avenir, selon les chercheurs. « Alors que la cryo-EM est devenue la principale technique en biologie pour déterminer les structures atomiques des assemblages de protéines, elle a eu jusqu’à présent beaucoup moins d’impact en science des matériaux », a déclaré Egelman, dont les travaux antérieurs ont conduit à son intronisation à la National Academy of Sciences, l’une des plus hautes distinctions qu’un scientifique puisse recevoir.
Egelman et ses collègues affirment que leur approche guidée par l’ADN de la construction de réseaux pourrait avoir une grande variété d’applications de recherche utiles, en particulier en physique. Mais cela valide également la possibilité de construire le supraconducteur à température ambiante de Little. Les travaux des scientifiques, combinés à d’autres percées dans les supraconducteurs au cours des dernières années, pourraient à terme transformer la technologie telle que nous la connaissons et conduire à un avenir beaucoup plus « Star Trek ».
« Alors que nous pensons souvent à la biologie en utilisant des outils et des techniques de la physique, nos travaux montrent que les approches développées en biologie peuvent en fait être appliquées à des problèmes de physique et d’ingénierie », a déclaré Egelman. « C’est ce qui est si excitant dans la science : ne pas être en mesure de prédire où nos travaux nous mèneront. »
Référence: Lin Z, Beltran LC, De los Santos ZA, et al. Remodelage du réseau guidé par l’ADN des nanotubes de carbone. La science. 2022;377(6605):535-539. doi : 10.1126/science.abo4628.
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