과학자들은 무기물이든 유기물이든 매우 다양한 유형의 나노 크기 물질 구성 요소, 즉 "나노 물체"를 원하는 3차원 구조로 조립하는 플랫폼을 개발했습니다. 자가 조립(SA)은 여러 종류의 나노 물질을 조직하는 데 성공적으로 사용되었지만, 이 과정은 매우 시스템 특이적이어서 물질의 고유한 특성에 따라 다양한 구조를 생성합니다. 오늘 Nature Materials에 게재된 논문에 따르면, 이 새로운 DNA 프로그래밍 가능 나노 제작 플랫폼은 나노 스케일(10억 분의 1미터)에서 다양한 3차원 물질을 동일한 방식으로 조직하는 데 적용될 수 있으며, 고유한 광학적, 화학적 및 기타 특성이 나타납니다.
"SA가 실용적인 응용 분야에 적합하지 않은 주요 이유 중 하나는 동일한 SA 공정을 광범위한 재료에 적용하여 서로 다른 나노구성요소로부터 동일한 3차원 정렬 어레이를 생성할 수 없기 때문입니다."라고 교신저자인 올렉 갱(Oleg Gang)은 설명했습니다. 갱은 미국 에너지부(DOE) 산하 브룩헤이븐 국립연구소 산하 과학국 사용자 시설인 기능성 나노소재 센터(CFN)의 소프트 및 바이오 나노소재 그룹 리더이자 컬럼비아 엔지니어링의 화학공학 및 응용물리학·재료과학 교수입니다. "이번 연구에서는 금속, 반도체, 심지어 단백질과 효소를 포함한 다양한 무기 또는 유기 나노 물체를 캡슐화할 수 있는 단단한 다면체 DNA 프레임을 설계하여 SA 공정을 재료 특성과 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 물체가 결합된 이러한 물질 복셀(voxel)은 거시적인 3차원 구조를 만드는 기본 구성 요소입니다. 프레임은 내부에 어떤 종류의 나노 물체가 있든(또는 없든) 꼭짓점에 인코딩된 상보적인 서열에 따라 서로 연결됩니다. 프레임의 모양에 따라 꼭짓점의 개수가 다르고, 따라서 완전히 다른 구조를 형성합니다. 프레임 내부에 있는 모든 나노 물체는 해당 특정 프레임 구조를 갖습니다.
과학자들은 조립 방식을 시연하기 위해 금속(금) 및 반도체(셀레나이드카드뮴) 나노입자와 박테리아 단백질(스트렙타비딘)을 DNA 프레임 내부에 배치할 무기 및 유기 나노 물체로 선택했습니다. 먼저, CFN 전자현미경 시설과 밴 앤델 연구소(생물 시료를 위해 극저온에서 작동하는 여러 장비를 보유하고 있음)에서 전자현미경으로 이미징하여 DNA 프레임의 무결성과 물질 복셀(voxel)의 형성을 확인했습니다. 그런 다음, 브룩헤이븐 연구소의 또 다른 DOE 과학국 사용자 시설인 국립 싱크로트론 광원 II(NSLS-II)의 간섭성 경질 X선 산란 및 복합 재료 산란 빔라인에서 3차원 격자 구조를 조사했습니다. 컬럼비아 공과대학의 비코프스키 화학공학 교수인 사나트 쿠마르와 그의 연구진은 계산 모델링을 수행하여 실험적으로 관찰된 격자 구조(X선 산란 패턴 기반)가 재료 폭셀이 형성할 수 있는 가장 열역학적으로 안정적인 구조라는 것을 밝혔습니다.
쿠마르는 "이러한 물질 폭셀을 사용하면 원자(및 분자)와 이들이 형성하는 결정에서 얻은 아이디어를 활용할 수 있으며, 이 광대한 지식과 데이터베이스를 나노스케일의 관심 있는 시스템으로 이식할 수 있습니다."라고 설명했습니다.
컬럼비아 대학교의 갱 교수 연구팀은 이 조립 플랫폼을 이용하여 화학적 및 광학적 기능을 가진 두 종류의 물질을 어떻게 조직화할 수 있는지 시연했습니다. 한 연구에서는 두 효소를 공동 조립하여 높은 충진 밀도를 가진 3차원 배열을 만들었습니다. 효소는 화학적으로는 변하지 않았지만 효소 활성은 약 4배 증가했습니다. 이러한 "나노 반응기"는 연쇄 반응을 조절하고 화학적으로 활성인 물질을 제조하는 데 사용될 수 있습니다. 광학 소재 시연을 위해 연구팀은 두 가지 색상의 양자점을 혼합했습니다. 양자점은 높은 채도와 밝기를 가진 TV 디스플레이를 만드는 데 사용되는 작은 나노결정입니다. 형광 현미경으로 촬영한 이미지는 형성된 격자가 빛의 회절 한계(파장) 아래에서도 색 순도를 유지함을 보여주었습니다. 이러한 특성은 다양한 디스플레이 및 광통신 기술에서 상당한 해상도 향상을 가져올 수 있습니다.
"재료가 어떻게 형성되고 기능하는지 다시 생각해 봐야 합니다."라고 갱은 말했다. "재료 재설계는 필수적이지 않을 수도 있습니다. 기존 재료를 새로운 방식으로 패키징하는 것만으로도 재료의 특성을 향상시킬 수 있습니다. 잠재적으로 저희 플랫폼은 훨씬 더 작은 크기, 더 다양한 재료, 그리고 설계된 조성으로 재료를 제어할 수 있는 '3D 프린팅 제조를 넘어서는' 기술로 발전할 수 있습니다. 동일한 접근 방식을 사용하여 서로 다른 재료 계열의 원하는 나노 물체로부터 3D 격자를 형성하고, 그렇지 않으면 호환되지 않을 것으로 여겨지는 것들을 통합함으로써 나노 제조에 혁명을 일으킬 수 있습니다."
DOE/브룩헤이븐 국립연구소에서 제공한 자료입니다. 참고: 스타일과 길이에 따라 내용이 편집될 수 있습니다.
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게시 시간: 2022년 7월 4일