DNA는 첨단 나노입자 소재를 만드는 우리의 '손'이 됩니다

노스웨스턴 대학과 미시간 대학의 과학자 Chad Mirkin과 Sharon Glotzer와 그들의 팀은 첨단 재료가 만들어지는 방식에 영향을 미칠 수 있는 나노기술의 발견을 발표했습니다.

이 논문은 다면체 나노입자 조립에 있어서 중요한 도약을 기술하고 있습니다. 연구자들은 메타물질 설계의 가능성을 확장하는 새로운 합성 전략의 힘을 소개하고 시연합니다. 이것은 “투명 망토”와 초고속 광학 컴퓨팅 시스템을 뒷받침하는 특이한 재료입니다.

Weinberg College of Arts and Sciences의 화학과 George B. Rathmann 교수인 Mirkin은 “우리는 손을 사용하여 일상 생활에서 거시적 규모의 재료를 조작합니다.”라고 말했습니다. “심지어 미취학 아동도 쉽게 장난감 빌딩 블록을 조작할 수 있으며 공간을 채우기 위해 잘 맞춰 놓을 수 있습니다. 나노 크기에서는 손과 나노 입자 사이의 엄청난 크기 차이로 인해 손을 사용하여 나노 입자 빌딩 블록을 조작할 수 없습니다.

“DNA와 나노입자는 동일한 길이의 크기를 갖고 있기 때문에 DNA로 입자를 화학적으로 암호화하여 상보적인 입자를 인식하도록 설계할 수 있으므로 DNA가 효과적으로 우리 손이 됩니다.”

이러한 “손”은 보완적인 모양을 가진 입자를 인식하고 배열하여 공간을 채우는 구조를 형성하도록 설계되었습니다.

유용한 나노입자 결정을 만드는 새로운 방법

DNA를 결합 요소로 사용하여 나노입자 결정을 엔지니어링하는 기존의 접근 방식은 아직 3차원(3D) 공간이 채워진 타일링 배열로 이어지지 않았습니다. 공간이 채워진 이러한 유용한 결정을 얻기 위해 노스웨스턴 연구진은 일반적으로 사용되는 것보다 더 짧고 유연한 분자 리간드를 사용했습니다. 구체적으로 그들은 올리고에틸렌 글리콜로 변형된 DNA를 사용했습니다. 올리고에틸렌 글리콜 단위는 모양이 거의 완벽하게 맞춰질 수 있도록 적절한 길이로 조정되는 일종의 충격 흡수 장치 역할을 합니다. 지금까지 이 새로운 건축 자재는 다른 방법으로는 준비가 불가능하고 전례 없는 특성을 가진 메타물질의 설계 및 구성에 사용될 가능성이 있는 10개의 새로운 콜로이드 결정의 합성으로 이어졌습니다.

진정한 색상이 빛나도록 하세요

나노입자는 본질적으로 불완전합니다. 동일한 합성 배치에서 생산된 개별 입자라도 크기와 모양이 약간씩 다릅니다. 이러한 특징으로 인해 조립할 때 공간을 효율적으로 채우는 능력이 제한될 수 있습니다. 또한 전통적으로 조립에 사용되는 DNA 가닥은 입자 직경과 거의 같거나 길기 때문에 결합에서 입자 기하학적 구조의 중요한 기여를 가려 왔습니다. 그 결과, 잘 정의된 면을 가진 입자는 기하학적으로 덜 복잡한 입자처럼 거동하는 것으로 밝혀졌습니다.

연구팀은 DNA 리간드 껍질과 나노입자 형태의 기여를 분리함으로써 이 두 가지 장애물을 극복했습니다. 실제로 DNA 가닥은 조립 과정에 필수적입니다. DNA 가닥은 입자를 함께 고정하기 위해 조작되는 “접착제”입니다. 그러나 연구자들은 훨씬 더 짧고 더 유연한 DNA 가닥을 사용했습니다. 짧은 DNA를 통해 나노입자의 모양 상보성이 드러나고 조립된 제품에 반영됩니다. 유연한 DNA는 다면체 나노입자 크기와 모양의 약간의 불완전성을 수용하는 데 필요한 흔들림 공간을 제공합니다. 이 흔들기 공간을 통해 불완전한 모양의 나노입자가 완벽한 모양의 타일링을 만들 수 있습니다. 이러한 방식으로 면간 정렬을 통해 고도로 정렬된 어셈블리가 형성되었습니다.

하나의 가격으로 두 개

“DNA 리간드 껍질과 코어 모양의 기여를 분리함으로써 우리는 나노기술의 새로운 지평을 열었고, 이전에는 불가능하다고 여겨졌던 모양과 크기를 가진 고도로 정렬된 콜로이드 결정의 생성을 가능하게 했습니다. 이 획기적인 발전은 나노기술의 범위를 확장했을 뿐만 아니라 콜로이드 결정은 물론 메타물질 설계를 위한 다재다능한 툴킷을 제시합니다.”라고 이번 연구의 주요 저자 중 한 명인 전 Mirkin Group 대학원생 Wenjie Zhou가 말했습니다.

놀랍게도 이 새로운 전략은 두 가지 중요한 설계 전략을 허용합니다. 첫째, 불완전한 다면체 빌딩 블록이나 완전히 다른 모양을 가진 블록을 조립하여 공간을 채우는 고도로 질서 있는 구조로 만들 수 있습니다. 둘째, 유연한 DNA는 공간을 채우지 않는 다면체 나노입자의 조립에 추가적인 자유도를 제공하여 DNA를 이용한 콜로이드 결정 공학으로는 이전에 달성할 수 없었던 대칭성을 가진 복잡한 결정을 생성합니다.

디자인 공간 확장

이 연구는 간단한 기하학적 고려 사항을 사용하여 공간을 채우는 대형 콜로이드 결정을 설계할 수 있는 능력을 보여줍니다. 제시된 어셈블리는 이 혁신적인 전략의 방대한 설계 공간 중 일부만을 나타냅니다. 이 때문에 유용한 목표 구조에 도달하려면 실험과 이론을 결합하는 것이 중요합니다.

“여기서 실험적 작업은 시뮬레이션으로 확인되었습니다. 인실리코그리고 우리의 이론 연구는 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 새로운 통찰력을 제공했습니다. 엑스실리코“라고 Anthony C Lembke 화학 공학과 의장 Glotzer가 말했습니다. “두 가지 연구 모드를 결합하고 함께 작업함으로써 우리 그룹은 독립적으로 작업할 수 있었던 것보다 시스템에 대해 훨씬 더 많은 것을 배웠습니다. 이것이 바로 학제간 연구가 과학과 공학의 절대적인 최고를 대표하는 이유입니다.”

여러 면에서 이러한 결과는 예상치 못한 결과였습니다. Mirkin은 “두 개의 매우 불완전한 시스템을 사용하여 공간이 채워진 거의 완벽한 결정을 생성하는 DNA 결합 요소를 설계할 수 있다는 것은 명백하지 않습니다. 이는 물질 결과를 인코딩하기 위한 자연의 청사진의 유용성을 보여주는 놀라운 사례입니다.”라고 말합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/01/240118150641.htm