과학자들은 매우 다양한 유형(무기 또는 유기)의 나노 크기 재료 구성 요소 또는 "나노 물체"를 원하는 3D 구조로 조립하기 위한 플랫폼을 개발했습니다. 자기조립(SA)은 여러 종류의 나노물질을 조직하는 데 성공적으로 사용되었지만 이 공정은 시스템에 따라 매우 특정하여 물질의 고유한 특성을 기반으로 다양한 구조를 생성했습니다. 오늘 Nature Materials에 발표된 논문에 보고된 바와 같이, 그들의 새로운 DNA 프로그래밍 가능 나노제조 플랫폼은 나노 규모(10억분의 1미터)에서 동일한 처방 방식으로 다양한 3D 재료를 구성하는 데 적용할 수 있습니다. , 기타 속성이 나타납니다.
SA가 실제 적용을 위해 선택되지 않는 주요 이유 중 하나는 동일한 SA 공정을 광범위한 재료에 적용하여 다양한 나노 구성 요소에서 동일한 3D 정렬 어레이를 생성할 수 없다는 것입니다."라고 교신 저자인 Oleg Gang은 설명했습니다. , Brookhaven 국립 연구소의 미국 에너지부(DOE) 과학 사용자 시설 사무국인 기능성 나노 물질 센터(CFN)의 소프트 및 바이오 나노 물질 그룹 리더이자 화학 공학 및 응용 공학 교수 Columbia Engineering의 물리학 및 재료 과학. "여기서 우리는 금속, 반도체, 심지어 단백질과 효소를 포함한 다양한 무기 또는 유기 나노 물체를 캡슐화할 수 있는 견고한 다면체 DNA 프레임을 설계하여 물질 특성에서 SA 프로세스를 분리했습니다."
과학자들은 정육면체, 팔면체, 사면체 모양의 합성 DNA 프레임을 설계했습니다. 프레임 내부에는 상보적인 DNA 서열을 가진 나노 물체만 결합할 수 있는 DNA "팔"이 있습니다. DNA 프레임과 나노 물체의 통합인 이러한 물질 복셀은 거시적 규모의 3D 구조를 만들 수 있는 빌딩 블록입니다. 프레임은 정점에 인코딩된 상보적 시퀀스에 따라 내부에 어떤 종류의 나노 물체가 있는지 여부에 관계없이 서로 연결됩니다. 프레임은 모양에 따라 정점의 개수가 다르므로 완전히 다른 구조를 형성합니다. 프레임 내부에 호스팅된 모든 나노 개체는 특정 프레임 구조를 취합니다.
조립 방식을 입증하기 위해 과학자들은 금속(금) 및 반도체(카드뮴 셀레나이드) 나노입자와 박테리아 단백질(스트렙타비딘)을 DNA 프레임 내부에 배치할 무기 및 유기 나노 물체로 선택했습니다. 첫째, 그들은 CFN 전자현미경 시설과 생물학적 시료의 극저온에서 작동하는 일련의 장비를 갖춘 Van Andel 연구소에서 전자현미경으로 이미징하여 DNA 프레임의 무결성과 물질 복셀의 형성을 확인했습니다. 그런 다음 그들은 Brookhaven 연구소의 또 다른 DOE 과학 사용자 시설인 국립 싱크로트론 광원 II(NSLS-II)의 Coherent Hard X-ray Scattering 및 Complex Materials Scattering 빔라인에서 3D 격자 구조를 조사했습니다. Columbia Engineering의 Bykhovsky 화학 공학 교수 Sanat Kumar와 그의 그룹은 컴퓨터 모델링을 수행하여 실험적으로 관찰된 격자 구조(X선 산란 패턴 기반)가 물질 복셀이 형성할 수 있는 열역학적으로 가장 안정적인 구조임을 밝혔습니다.
Kumar는 “이러한 물질 복셀을 통해 우리는 원자(및 분자)와 이들이 형성하는 결정에서 파생된 아이디어를 사용하고 이 방대한 지식과 데이터베이스를 관심 있는 시스템에 나노 수준으로 전달할 수 있습니다.”라고 설명했습니다.
그런 다음 콜롬비아에 있는 Gang의 학생들은 조립 플랫폼을 사용하여 화학적 및 광학적 기능을 갖춘 두 가지 다른 종류의 재료 조직을 구동하는 방법을 시연했습니다. 한 경우에는 두 개의 효소를 공동 조립하여 밀도가 높은 3차원 배열을 만들었습니다. 효소는 화학적으로 변하지 않았지만 효소 활성이 약 4배 증가한 것으로 나타났습니다. 이러한 "나노반응기"는 계단식 반응을 조작하고 화학적 활성 물질을 제조하는 데 사용될 수 있습니다. 광학 소재 시연을 위해 그들은 채도와 밝기가 높은 TV 디스플레이를 만드는 데 사용되는 작은 나노결정인 양자점의 두 가지 다른 색상을 혼합했습니다. 형광현미경으로 촬영한 이미지는 형성된 격자가 빛의 회절 한계(파장) 이하로 색 순도를 유지한다는 것을 보여주었습니다. 이 특성은 다양한 디스플레이 및 광통신 기술에서 상당한 해상도 향상을 가능하게 할 수 있습니다.
Gang은 “우리는 물질이 어떻게 형성되고 어떻게 기능하는지 다시 생각해 볼 필요가 있습니다.”라고 말했습니다. “재료 재설계가 필요하지 않을 수도 있습니다. 단순히 기존 재료를 새로운 방식으로 포장하면 그 특성이 향상될 수 있습니다. 잠재적으로 우리 플랫폼은 훨씬 더 작은 규모와 더 큰 재료 다양성 및 디자인된 구성으로 재료를 제어할 수 있는 '3D 프린팅 제조 이상의' 기술이 될 수 있습니다. 서로 다른 재료 클래스의 원하는 나노 물체로부터 3D 격자를 형성하기 위해 동일한 접근 방식을 사용하고, 그렇지 않으면 호환되지 않는 것으로 간주되는 것들을 통합하면 나노 제조에 혁명을 일으킬 수 있습니다.”
DOE/브룩헤이븐 국립 연구소에서 제공한 자료. 참고: 콘텐츠의 스타일과 길이는 편집될 수 있습니다.
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게시 시간: 2022년 7월 4일