나노기술 및 정책 정보

• 목록

저항없이 전기를 전도할 수 있는 3 차원 (3-D) 나노구조 물질(10 억분의 1 미터 크기의 복잡한 모양을 가진 물질)은 다양한 양자 장치에 사용될 수 있음. 예를 들어, 이러한 3 차원 초전도 나노구조는 신호 증폭기에서 의료 영상 및 지하 지질학 매핑을 위한 양자 컴퓨터 및 초고감도 자기장 센서의 속도와 정확도를 향상시킬 수 있음. 그러나 리소그래피와 같은 전통적인 제조 도구는 초전도 와이어 및 박막과 같은 1D 및 2D 나노구조로 제한되어 있음.

브룩헤이븐 국립연구소(Brookhaven National Laboratory)와 콜롬비아 대학 및 이스라엘의 Bar-Ilan 대학의 국제공동연구팀이 규정된 조직으로 3D 초전도 나노 아키텍처를 만들기 위한 플랫폼을 개발했음. 이 플랫폼은 DNA를 나노 스케일에서 원하는 3D 형태로 자체 조립하는 방식을 기반으로 함. DNA 자가 조립에서 단일의 긴 DNA 가닥은 특정 위치에서 더 짧은 상보적인 "스테이플" 가닥으로 접힘. 이는 종이접기와 유사함. 구조를 프로그래밍할 수 있는 가능성으로 인해 DNA는 빌딩블록으로서의 나노 구조를 설계하여 조립하기 위한 플랫폼을 제공할 수 있음. 그러나 DNA의 취약성은 무기 물질을 필요로 하는 기능성 장치 제작이나 나노 제조에는 적합하지 않음. 이 연구에서 DNA가 3D 나노 스케일 아키텍처를 구축하기 위한 스캐폴드 역할을 통해 어떻게 초전도체와 같은 무기 물질로 완전히 변환될 수 있는지를 보여주었음. 스캐폴드를 만들기 위해 연구팀은 먼저 팔면체 모양의 DNA 종이 접기 "프레임"을 디자인했음. 이러한 프레임이 원하는 격자로 조립되도록 DNA를 프로그래밍하는 전략을 적용했음. 그런 다음 화학 기술을 사용하여 DNA 격자를 이산화규소(실리카)로 코팅하고 원래의 부드러운 구조를 고형화하여 구조를 보존하기 위해 액체 환경이 필요했음. 연구팀은 전자 현미경 이미징과 Brookhaven의 National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)의 복합재료 산란 빔라인에서 작은 각도 X 선 산란을 통해 확인한 후 구조가 설계에 충실하도록 제작 프로세스를 조정했음. 이 실험은 DNA 격자를 코팅한 후 구조적 무결성이 보존되었음을 보여주었음.

원래 형태의 DNA는 기존의 나노기술 방법으로 처리하기 어려움. 그러나 일단 DNA를 실리카로 코팅하고 나면 추가로 이러한 방법을 사용하여 무기 물질을 증착할 수 있는 기계적으로 견고한 3D 아키텍처를 가지게 됨. 이는 기능성 물질이 일반적으로 평평한 실리콘 기판에 증착되는 전통적인 나노 제조 방법과 유사하게 됨.

연구팀은 실리카 코팅 DNA 격자로 어떻게 3 차원에서 초전도 나노 스케일 구조를 제작할 수 있을까요? 작은 NDA 격자 샘플이 포함되어 있는 실리콘칩 위에 저온 초전도체(니오븀)를 증발시킴. 증발 속도와 실리콘 기판 온도는 니오븀이 샘플을 코팅했지만 끝까지 침투하지는 않도록 주의해서 제어해야 함. 이 경우 전자 전송 측정에 사용되는 전극 사이에 단락이 발생할 수 있기 때문임. 전류가 샘플 자체만 통과하도록 기판에서 특수 채널을 절단했음. 측정 결과 조셉슨 접합의 3D 배열 또는 초전도 전류가 통과하는 얇은 비초전도 장벽이 드러났음. 조셉슨 접합 배열은 자기장 감지를 위한 초전도 양자 간섭 장치와 같은 실제 기술에서 양자 현상을 활용하는 데 중요함. 3D에서는 더 많은 접합을 작은 볼륨으로 압축하여 장치 전력을 증가시킬 수 있음.

DNA 종이 접기는 거의 15 년 동안 아름답고 화려한 3D 나노 스케일 구조를 만들어 왔지만 DNA 자체가 반드시 유용한 기능성 물질은 아니기 때문에 DNA 종이 접기를 템플릿으로 활용하여 초전도 니오븀과 같은 기능성 물질의 유용한 3D 나노 구조를 만들 수 있음을 보여준 것임. 이 능력은 복잡한 3D 구조의 기능성 물질을 임의로 설계하고 제작할 수 있어 감지, 광학 및 양자 컴퓨팅과 같은 분야에서 국방기술의 현대화 노력을 가속화 할 것임.

연구팀은 복잡한 DNA 조직을 사용하여 고도로 나노 구조화된 3D 초전도 물질을 만드는 방법에 대한 경로를 시연했음. 이 물질 변환 경로는 초전도성뿐만 아니라 다른 전자적, 기계적, 광학적, 촉매적 특성과 같은 흥미로운 특성을 가진 다양한 시스템을 만들 수 있는 능력을 제공함. 따라서 DNA 프로그램 가능성은 3D 무기 나노 제조에 적용될 수 있음.

본 연구 성과는 ‘Nature Communications’ (“DNA-assembled superconducting 3D nanoscale architectures”) 지에 게재됨