과학자들은 DNA를 꼬아서 기술을 혁신할 수 있는 자체 구축 나노구조를 만들어냈습니다.

DNA 모아레 초격자는 Nature Nanotechnology에 게재된 연구의 초점입니다. 출처: 슈투트가르트 대학교/제2물리학연구소

연구진은 첨단 DNA 나노기술을 이용하여 나노미터 규모에서 새로운 모아레 물질을 개발하고 있습니다. DNA 모아레 초격자는 두 개의 주기적인 DNA 격자가 약간의 회전 비틀림이나 위치 오프셋을 두고 중첩될 때 형성됩니다. 이는 완전히 다른 물리적 특성을 가진 새롭고 더 큰 간섭 패턴을 생성합니다. 슈투트가르트 대학교와 막스 플랑크 고체연구소 연구진이 개발한 새로운 접근법은 이러한 초격자의 복잡한 구조를 용이하게 할 뿐만 아니라 나노 규모에서 완전히 새로운 설계 가능성을 열어줍니다. 이 연구는 Nature Nanotechnology 저널에 게재되었습니다.

모아레 초격자는 현대 응집 물질 및 광자 연구의 핵심이 되었습니다. 그러나 이러한 구조를 구현하려면 일반적으로 정밀한 정렬과 고도로 제어된 조건에서 미리 제작된 층을 옮기는 것을 포함하여 섬세하고 힘든 제작 단계가 필요합니다. 슈투트가르트 대학교 제2물리학연구소 소장 인 라우라 나 류 교수는 "우리의 접근 방식은 모아레 초격자 제작의 기존 제약을 뛰어넘습니다."라고 말했습니다.

모아레 초 격자 구조를 위한 새로운 패러다임

"2차원 재료를 기계적으로 쌓고 꼬는 기존 방식과 달리, 저희 플랫폼은 상향식 조립 공정을 활용합니다."라고 로라 나 리우는 설명합니다. 조립 공정은 개별 DNA 가닥을 연결하여 더 크고 질서 있는 구조를 형성하는 것을 말합니다. 이는 자기 조직화에 기반합니다. 즉, DNA 가닥은 외부의 개입 없이 분자 간의 상호작용을 통해서만 결합합니다. 슈투트가르트 연구팀은 이러한 특징을 활용하고 있습니다. "회전 각도, 부격자 간격, 격자 대칭과 같은 초격자의 기하학적 매개변수를 핵 생성 시드(nucleation seed)라고 하는 초기 구조의 분자 설계에 직접 인코딩합니다. 그런 다음 전체 구조가 나노미터 수준의 정밀도로 자가 조립되도록 합니다." 이 시드는 구조적 청사진 역할을 하여 2차원 DNA 격자가 정밀하게 꼬인 이중층 또는 삼중층으로 계층적으로 성장하도록 유도하며, 이 모든 과정은 단일 용액상 조립 단계에서 이루어집니다.

미지의 영역 탐험: 중간 나노미터 규모의 모아레 구조

모아레 초격자는 원자(옹스트롬) 및 광자(서브미크론) 스케일에서 널리 연구되어 왔지만, 분자 프로그래밍 가능성과 재료의 기능성이 모두 수렴하는 중간 나노미터 영역은 여전히 접근하기 어려운 상태였습니다. 슈투트가르트 연구진은 이번 연구를 통해 이러한 간극을 메웠습니다. 연구팀은 DNA 오리가미와 단일 가닥 타일(SST) 조립이라는 두 가지 강력한 DNA 나노기술을 결합했습니다.

연구진은 이 하이브리드 전략을 사용하여 단위 셀 크기가 2.2나노미터에 불과한 마이크로미터 크기의 초격자를 제작했습니다. 이 초격자는 가변적인 꼬임 각도와 정사각형, 카고메, 벌집 등 다양한 격자 대칭성을 특징으로 합니다. 또한, 꼬임 각도와 그에 따른 모아레 주기가 구조 전반에 걸쳐 연속적으로 변하는 구배 모아레 초격자도 시연했습니다. 공동 저자인 막스 플랑크 고체연구소의 피터 A. 반 아켄 교수는 "이러한 초격자는 투과 전자 현미경에서 잘 정의된 모아레 패턴을 보여주며, 관찰된 꼬임 각도는 DNA 오리가미 씨앗에 인코딩된 각도와 매우 일치합니다."라고 언급했습니다.

이 연구는 또한 모아레 초격자 구조의 새로운 성장 과정을 소개합니다. 이 과정은 DNA 시드에 공간적으로 정의된 포획 가닥을 통해 시작되는데, 이 포획 가닥은 분자 '고리' 역할을 하여 SST를 정밀하게 결합하고 층간 정렬을 조절합니다. 이를 통해 SST 부격자가 정확하게 정렬된 꼬인 이중층 또는 삼중층을 제어된 방식으로 형성할 수 있습니다.

분자 공학, 나노 광자학, 스핀트로닉스 및 재료 과학 전반에 걸친 광범위한 영향

높은 공간 분해능, 정밀한 주소 지정 기능, 그리고 프로그래밍 가능한 대칭성을 갖춘 새로운 모아레 초격자는 연구 및 기술 분야에서 다양한 응용 분야에 상당한 잠재력을 가지고 있습니다. 예를 들어, 이 초격자는 형광 분자, 금속 나노입자, 맞춤형 2D 및 3D 구조의 반도체와 같은 나노스케일 구성 요소의 이상적인 스캐폴드 역할을 합니다.

화학적으로 강체 구조로 변환되면, 이러한 격자는 진동 반응을 조절할 수 있는 포노닉 결정이나 기계적 메타물질로 재활용될 수 있습니다. 이러한 공간적 경사 설계는 또한 변형 광학 및 경사 굴절률 광자 소자 분야에서 무아레 현상을 이용하여 빛이나 소리를 제어된 궤적으로 유도할 수 있는 가능성을 열어줍니다.

특히 유망한 응용 분야 중 하나는 스핀 선택적 전자 전달입니다. DNA는 스핀 필터 역할을 하는 것으로 나타났으며, 모아레 대칭성이 정의된 이러한 잘 정렬된 초격자는 고도로 프로그래밍 가능한 환경에서 위상학적 스핀 전달 현상을 탐구하는 플랫폼 역할을 할 수 있습니다.

"이것은 양자 물질을 모방하는 것이 아닙니다."라고 로라 나 리우는 말한다. "이것은 설계 공간을 확장하고 분자에 기하학적 제어를 직접 내장하여 새로운 유형의 구조 물질을 하향식으로 구축할 수 있도록 하는 것입니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250720034013.htm