MIT 엔지니어들은 접힌 DNA로 만든 지지대를 사용하여 양자 막대 배열을 정밀하게 조립하는 새로운 방법을 고안했다. 고도로 제어된 방식으로 양자 막대를 DNA 비계에 배치함으로써 연구자들은 배열에서 방출되는 빛의 편광을 결정하는 핵심 요소인 방향을 조절할 수 있다. 이를 통해 가상 장면에 깊이와 차원을 더 쉽게 추가할 수 있다.

"양자 막대의 과제 중 하나는 나노 크기에서 양자 막대를 어떻게 정렬하여 모두 같은 방향을 가리키도록 하는 것이다."라고 MIT 생물공학 교수이자 새로운 연구의 수석 저자인 마크 배스(Mark Bathe)는 말한다. "2D 표면에서 모두 같은 방향을 가리키면 빛과 상호 작용하고 편광을 제어하는 방식에 있어 모두 동일한 속성을 갖게 된다."

MIT 박사후 연구원인 치 첸과(Chi Chen)과 신 루오(Xin Luo)는 최근 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 실린 이 논문의 주요 저자이다.

나노 규모의 구조

지난 15년 동안 배스와 다른 사람들은 DNA 종이접기라고도 알려진 DNA로 만들어진 나노 규모 구조의 설계 및 제작을 주도해 왔다. 매우 안정적이고 프로그래밍 가능한 분자인 DNA는 약물 전달, 바이오센서 역할 또는 광 수확 재료용 발판 형성 등 다양한 응용 분야에 사용할 수 있는 작은 구조를 위한 이상적인 건축 자재이다.

배스의 연구실은 연구자들이 만들고 싶은 목표 나노 크기 모양을 간단히 입력할 수 있는 계산 방법을 개발했으며, 프로그램은 올바른 모양으로 자가 조립될 DNA 서열을 계산한다. 그들은 또한 이러한 DNA 기반 물질에 양자점을 통합하는 확장 가능한 제조 방법을 개발했다.

2022년 논문에서 배스와 첸은 DNA를 사용하여 확장 가능한 생물학적 제조를 통해 정확한 위치에 양자점을 비계할 수 있음을 보여주었다. 해당 작업을 바탕으로 그들은 맥팔레인(Macfarlane) 연구실과 협력하여 양자 막대를 2D 배열로 배열하는 문제를 해결했다. 이는 막대를 동일한 방향으로 정렬해야 하기 때문에 더 어렵다.

막대를 한 방향으로 쓸어주기 위해 직물이나 전기장과의 기계적 마찰을 사용하여 정렬된 양자 막대 배열을 생성하는 기존 접근 방식은 제한된 성공만을 거두었다. 그 이유는 고효율 발광을 위해서는 막대가 서로 최소 10나노미터 이상 떨어져 있어야 이웃의 발광 활동이 억제되거나 억제되지 않기 때문이다.

이를 달성하기 위해 연구진은 다이아몬드 모양의 DNA 종이접기 구조에 양자 막대를 부착하는 방법을 고안했는데, 이는 그 거리를 유지하기에 적합한 크기로 제작할 수 있다. 그런 다음 이러한 DNA 구조는 표면에 부착되어 퍼즐 조각처럼 서로 맞춰진다.

"양자 막대는 같은 방향으로 종이접기 위에 놓여 있으므로 이제 2D 표면의 자체 조립을 통해 이러한 모든 양자 막대를 패턴화했으며 마이크로 LED와 같은 다양한 응용 분야에 필요한 미크론 규모로 이를 수행할 수 있다."라고 배스는 말한다. "종이접기는 퍼즐 조각처럼 잘 포장되어 자연스럽게 서로 맞기 때문에 제어 가능한 특정 방향으로 방향을 지정하고 잘 분리된 상태를 유지할 수 있다."

퍼즐 조립하기

이 접근 방식을 적용하기 위한 첫 번째 단계로 연구자들은 DNA 가닥을 양자 막대에 부착하는 방법을 고안해야 했다. 이를 위해 첸은 DNA를 유화하여 양자 막대와 혼합물을 만든 다음 혼합물을 빠르게 탈수시켜 DNA 분자가 막대 표면에 조밀한 층을 형성할 수 있게 하는 과정을 개발했다.

이 과정은 DNA를 나노 크기 입자에 부착하는 기존 방법보다 훨씬 빠른 몇 분 밖에 걸리지 않으며, 이는 상업적 응용을 가능하게 하는 데 핵심이 될 수 있다.

“이 방법의 독특한 측면은 나노입자 표면에 대한 친화력을 갖고 물을 좋아하는 리간드에 거의 보편적으로 적용할 수 있어 나노크기 입자의 표면으로 즉시 밀려날 수 있다는 점이다. 이 방법을 활용함으로써 제조 시간을 며칠에서 단 몇 분으로 크게 단축할 수 있었다.”라고 첸은 말한다.

이 DNA 가닥은 벨크로처럼 작용하여 양자 막대가 규산염 표면을 코팅하는 얇은 필름을 형성하는 DNA 종이접기 주형에 달라붙도록 돕는다. 이 DNA 박막은 가장자리를 따라 돌출된 DNA 가닥을 통해 인접한 DNA 주형을 서로 결합함으로써 자가 조립을 통해 먼저 형성된다.

연구원들은 이제 마이크로LED 또는 증강현실/가상현실을 넘어서 다양한 응용 분야에 대한 양자 막대의 장치 규모 배열로 설계를 확장할 수 있는 에칭 패턴으로 웨이퍼 규모 표면을 생성할 수 있기를 희망한다.

“이 논문에서 설명하는 방법은 양자 막대의 위치를 지정하는 방법에 대한 우수한 공간 및 방향 제어를 제공하기 때문에 훌륭한다. 다음 단계는 다양한 길이 스케일로 프로그래밍된 구조를 사용하여 보다 계층적인 배열을 만드는 것이다. 이러한 양자 막대 배열의 크기, 모양 및 배치를 제어할 수 있는 능력은 모든 종류의 다양한 전자 응용 분야에 대한 관문이다.”라고 맥팔레인은 말한다.

“DNA는 신흥 미국 바이오 경제에 맞춰 확장 가능하고 지속 가능한 생물학적으로 생산될 수 있기 때문에 제조 재료로서 특히 매력적이다. 환경적으로 안전한 양자 막대로의 전환을 포함하여 남아 있는 몇 가지 병목 현상을 해결하여 이 작업을 상용 장치로 변환하는 것이 우리가 다음으로 중점을 두는 것이다.”라고 배스는 덧붙인다.