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이러한 공학적 재료의 가능한 결과 중 하나는 전기 저항이 0이어서 전자가 방해받지 않고 흐를 수 있는 초전도체가 될 수 있습니다. 이는 현재의 전기 전송 수단과 달리 에너지를 잃지 않고 열을 생성하지 않는다는 것을 의미합니다. 현재 가능한 극도로 높거나 낮은 온도 대신 상온에서 광범위하게 사용할 수 있는 초전도체의 개발은 초고속 컴퓨터를 만들고, 전자 장치의 크기를 줄이며, 고속 열차를 가능하게 할 수 있습니다. 자석에 떠다니고 에너지 사용을 줄이는 등의 이점이 있습니다.
그러한 초전도체 중 하나는 50여년 전 스탠포드 물리학자 윌리엄 A. 리틀(William A. Little)에 의해 처음 제안되었습니다. 과학자들은 이를 실현하기 위해 수십 년을 노력해 왔지만 그의 아이디어의 타당성을 검증한 후에도 극복이 불가능해 보이는 과제에 직면했습니다. 지금까지.
UVA 생화학 및 분자 유전학과의 Edward H. Egelman 박사는 저온전자현미경(cryo-EM) 분야의 선두주자였으며, 그와 그의 연구실 대학원생인 Leticia Beltran은 저온전자현미경을 사용했습니다. 불가능해 보이는 이 프로젝트를 위한 EM 이미징. '그것은 극저온-EM 기술이 재료 연구에서 큰 잠재력을 가지고 있음을 보여줍니다.'라고 그는 말했습니다.
원자 수준의 엔지니어링
초전도체에 대한 Little의 아이디어를 실현할 수 있는 한 가지 가능한 방법은 탄소 나노튜브의 격자, 즉 나노미터(10억분의 1미터) 단위로 측정해야 하는 매우 작은 탄소의 속이 빈 원통을 수정하는 것입니다. 그러나 큰 과제가 있었습니다. 격자가 필요에 따라 정확하게 조립되고 의도한 대로 기능할 수 있도록 나노튜브를 따라 화학 반응을 제어하는 것이었습니다.
Egelman과 그의 동료들은 삶의 구성 요소에서 답을 찾았습니다. 그들은 살아있는 세포에 작동 방법을 알려주는 유전 물질인 DNA를 가져와 리틀의 초전도체에 대한 거대한 장벽을 극복할 화학 반응을 안내하는 데 사용했습니다. 간단히 말해서, 그들은 화학을 사용하여 놀랍도록 정밀한 구조 공학, 즉 개별 분자 수준의 구성을 수행했습니다. 그 결과 Little의 실온 초전도체에 필요한 만큼 조립된 탄소 나노튜브 격자가 탄생했습니다.
'이 연구는 인접한 반응 부위 사이의 간격에 대한 DNA 서열 제어를 활용하여 정렬된 탄소 나노튜브 변형이 달성될 수 있음을 보여줍니다'라고 Egelman은 말했습니다.
그들이 만든 격자는 현재 초전도성에 대한 테스트를 거치지 않았지만 원리를 증명하고 미래에 큰 잠재력을 갖고 있다고 연구원들은 말합니다. 'cryo-EM은 단백질 조립체의 원자 구조를 결정하기 위한 생물학의 주요 기술로 등장했지만 지금까지 재료 과학에 미치는 영향은 훨씬 적었습니다.'라고 Egelman은 말했습니다. 과학 아카데미(Academy of Sciences)는 과학자가 받을 수 있는 최고의 영예 중 하나입니다.
Egelman과 그의 동료들은 격자 구성에 대한 DNA 기반 접근 방식이 특히 물리학 분야에서 다양하고 유용한 연구 응용을 가질 수 있다고 말합니다. 그러나 이는 또한 Little의 실온 초전도체 구축 가능성을 검증합니다. 최근 몇 년간의 초전도체 분야의 다른 혁신과 결합된 과학자들의 연구는 궁극적으로 우리가 알고 있는 기술을 변화시키고 훨씬 더 많은 '스타 트렉'의 미래로 이어질 수 있습니다.
우리는 종종 물리학의 도구와 기술을 사용하여 생물학을 생각하지만, 우리의 연구는 생물학에서 개발된 접근 방식이 실제로 물리학과 공학의 문제에 적용될 수 있음을 보여줍니다.'라고 Egelman은 말했습니다. '과학의 흥미로운 점은 우리의 연구가 어디로 이어질지 예측할 수 없다는 점입니다.\
이 작업은 상무부의 국립 표준 기술 연구소와 국립 보건원 보조금 GM122510 및 NRC 박사후 연구원의 지원을 받았습니다.