나노기술 및 정책 정보

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펜실베니아 주립 대학교(Penn State University) 연구팀이 벌크 재료에 적용되는 명백한 자연 법칙인 규칙이 나노 스케일에서는 다르게 나타날 수 있음을 밝힘. 연구책임자인 Melik Demirel 교수는 "자연은 작은 원자 규모에서 더 큰 규모로 가는 방법을 알고 있다"고 주장함. 또한, "엔지니어는 믹싱 규칙을 사용하여 재료의 특성을 향상시켰지만 단일 스케일로 제한되었으며, 다음 단계의 계층적 엔지니어링으로 넘어가지 않았음. 주요 과제는 분자에서 벌크에 이르기까지 다양한 스케일로 작용하는 명백한 힘이 있다"고 밝힘.

합성물은 정의에 따라 둘 이상의 구성 요소로 구성되며, 믹싱 규칙에 따르면 한 구성 요소와 다른 구성 요소의 비율이 다를 수 있지만 복합 재료의 물리적 특성에는 한계가 있음. 하지만, 연구팀은 적어도 나노 스케일에서 그 한계를 깨뜨렸음.

Demirel 교수는 “전도성 폴리머 복합재를 사용하는 경우 폴리머와 금속 화합물의 양은 믹싱 규칙에 따라 제한된다."는 규칙은 매트릭스와 필러에 관한 모든 것을 관장함. 연구팀은 물질 (바이오 폴리머와 원자적으로 얇은 전도성 물질)을 가져 와서 자기 조립으로 구성하고 믹싱 규칙을 어겼다"고 주장함.

연구팀이 합성한 재료는 유전자 복제에 의해 생성되고 오징어 링 톱니 단백질의 구조에서 영감을 얻은 탠덤 반복 단백질을 기반으로 한 생체 모방 고분자에 단 몇 분자 두께의 금속 층인 티타늄 카바이드 2D MXene을 혼합하여 제조함. 이 층상 복합 재료는 자체 조립되며 생체 모방 고분자는 금속 층 사이의 거리를 조절함.

보존된 서열을 반복하는 바이오 폴리머인 직렬 반복 단백질의 유전 공학을 사용함으로써 연구원들은 믹싱 분율을 변경하지 않고도 전도 층의 층간 거리를 제어할 수 있었음.

연구원의 목표는 합성 생물학을 사용하여 물리적 특성을 전례없이 제어 할 수 있는 자체 조립 재료를 만드는 것임. 폴리머는 가교 네트워크로 자체 조립되기 때문에, 작은 영역에서의 매트릭스 대 필러 비율은 믹싱 규칙을 어길 수 있으며 적층된 재료의 전기적 특성이 바뀔 수 있음. 이 생체 모방 중합체 금속 복합재는 적절한 벌크 혼합물에서 가요성 및 전도성 둘 모두에 해당될 수 있음. 미세한 규모에서 구조 대칭이 깨지면 전기 전도성은 방향에 따라 달라지게 됨. Demirel 교수는 “독특한 것은 이제 평면 방향의 전도성과 평면에 수직인 방향 간의 전도성이 다른 값을 얻을 수 있음. 따라서, 전류가 2D 재료 층의 평면을 따라가는 한, 전도도는 선형이지만, 전류가 층을 가로 질러 가면 전도도가 비선형이 될 수 있음.

본 연구 성과는 ‘ACS Nano’ ("Self-Assembly of Topologically Networked Protein–Ti3C2Tx MXene Composites") 지에 게재됨