과학자들은 전자현미경으로 밝혀진 이 구조를 포함하여 다양한 3D 금속 및 반도체 나노구조를 만들기 위해 새롭고 보편적인 방법을 사용했다. 연구진은 여러 기술을 결합하여 DNA "비계" 위에 이산화규소, 알루미나 도핑 산화아연, 마지막으로 백금을 층으로 쌓았다. 이 복잡한 구조는 소규모 고급 제조의 새로운 가능성을 나타낸다. (제공: 브룩헤이븐 국립연구소)

미국 에너지부(DOE) 브룩헤이븐 국립 연구소, 컬럼비아 대학교, 스토니 브룩 대학교의 과학자들은 다양하게 설계된 금속 및 반도체 3D 나노구조를 생산하기 위한 근본적이고 새로운 방법을 개발했다. 이 방법은 분자가 표적화된 3D 패턴으로 스스로 조직되도록 지시하는 "해킹된" 형태의 DNA를 사용한다.

새로운 방법은 다양한 재료 클래스로부터 견고한 나노구조를 생성할 수 있다. 이 연구는 최근 사이언스 어드밴스(Science Advances)에 게재되었다.

"우리는 10년 넘게 DNA를 사용하여 나노 크기의 물질을 프로그래밍해 왔다." 교신 저자인 컬럼비아 엔지니어링의 화학 공학 교수이자 응용 물리학 및 재료 과학 교수이자 브룩헤이븐 연구소의 DOE 과학부 사용자 시설인 CFN(기능성나노소재연구단 Centre for Functional Nanomaterials)의 소프트 및 바이오 나노재료 그룹 리더인 올렉 갱(Oleg Gang)은 말했다.

"이제 이전 성과를 토대로 우리는 이러한 DNA 기반 구조를 다양한 유형의 기능성 무기 3D 나노 아키텍처로 변환하는 방법을 개발했으며 이는 3D 나노 규모 제조에 엄청난 기회를 열어준다."

자가 조립의 다음 단계: 마이크로 전자 공학 및 반도체 장치

CFN은 분자가 자발적으로 조직되는 과정인 자기조립 연구 분야의 선두주자이다. 특히 CFN의 과학자들은 DNA 지시 조립 분야의 전문가이다. 연구자들은 전기 전도성, 감광성 및 자성과 같은 유익한 특성을 발생시키는 분자 배열로 자가 조립 과정을 "지시"하도록 DNA 가닥을 프로그래밍한다. 그런 다음 이러한 구조를 기능성 재료로 확장할 수 있다.

현재까지 CFN은 DNA 유도 조립을 사용해 전환 가능한 박막, 3D 나노초전도체 등을 생산해 왔다.

3D 금속 나노구조

“우리는 DNA 지시 조립을 사용하여 구성할 수 있는 다양한 유형의 구조를 시연했다. 하지만 이 연구를 다음 단계로 발전시키기 위해서는 DNA에만 의존할 수는 없다.”라고 갱 교수는 말했다. "우리는 마이크로 전자 공학 및 반도체 장치와 같은 첨단 기술을 위한 보다 구체적인 기능을 갖춘 보다 견고한 구조를 만들기 위해 방법을 확장해야 했다."

최근 갱과 동료들은 실리콘의 산화된 형태인 실리카를 DNA 격자 위에 성장시킬 수 있었다. 실리카를 첨가하면 훨씬 더 견고한 구조가 만들어졌지만 이 절차는 다양한 재료에 널리 적용되지 않았다. 연구팀은 금속 및 반도체 재료를 효율적으로 생산할 수 있는 방법을 개발하기 위해 추가 연구가 필요했다.

따라서 3D 나노구조를 생산하는 보다 보편적인 방법을 구축하기 위해 CFN의 소프트 및 바이오 나노재료 그룹의 연구원들은 센터의 전자 나노재료 그룹과 협력했다.

이 그룹의 과학자들은 증기상 침투라고 불리는 새로운 물질 합성 기술을 개척했다. 이 기술은 증기 형태의 전구체 화학 물질을 나노 규모 격자에 결합시켜 표면을 넘어 재료 구조 깊숙이 침투한다. 갱 팀이 이전에 금속 요소가 포함된 전구체를 사용하여 구축한 실리카 구조에 이 기술을 수행함으로써 연구원들은 3D 금속 구조를 생성할 수 있었다.

연구팀은 액체 전구체를 제외하고 물질 표면에 화학 결합을 형성하는 기술인 액체상 침투(liquid-phase infiltration)도 실험했다. 이 경우 연구팀은 서로 다른 금속염을 실리카에 결합시켜 다양한 금속 구조를 형성했다. 예를 들어, 그들은 하나의 나노구조 위에 백금, 알루미늄, 아연을 결합할 수 있었다.

연구팀은 아연, 알루미늄, 구리, 몰리브덴, 텅스텐, 인듐, 주석 및 백금의 다양한 조합을 포함하는 3D 나노구조를 생성할 수 있었다. 이는 고도로 구조화된 3D 나노물질을 생성하는 최초의 시연이다.

반도체 장치와 같은 기술에 유용한 재료를 만드는 데 필요한 몇 가지 특성이 있다. 이번 연구를 위해 연구진은 3D 나노구조에 전기 전도성과 광활성을 부여했다.

세계 최고의 연구에 접근할 수 있도록 한다; 액체 취급 로봇

CFN은 이제 이 방법을 보다 복잡한 연구에 적용하고 이를 방문 과학자들에게 제공하기 위해 노력할 것이다. 사용자 시설로서 CFN은 전국 및 전 세계의 "사용자"가 사용할 수 있는 기능과 전문 지식을 제공한다.

이 연구에 도움이 된 CFN의 전문 지식과 시설 생태계는 사용자에게도 이익이 되며, CFN은 지속적으로 제품을 확장하고 더 쉽게 접근할 수 있도록 만들고 있다. 예를 들어, 과학자들은 센터의 최신 도구 중 하나인 액체 취급 로봇에 새로운 연구 방법을 구현하려고 한다.

CFN은 또한 나노재료의 기계적 특성을 연구하고 있으며, 이 연구에서 개발된 것과 같은 재료는 최근 다른 연구에서 그룹이 보여준 것처럼 기계적 성능을 향상시킬 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있다고 연구진은 말했다.

“전반적으로 설계되고 견고하며 기능적으로 조정 가능한 3D 나노구조를 생성하는 CFN의 새로운 방법은 소규모 고급 제조 분야의 획기적인 발전을 위한 발판을 마련했다. 그들의 작업은 다양한 신기술을 가능하게 할 수 있으며 브룩헤이븐 연구소의 과학 이니셔티브와 사용자에게 새로운 기회를 제공할 것이다.”

이 연구는 DOE 과학부의 지원을 받았다.