독일 연구진은 자기 조립된 나노구조의 수명을 조절할 수 있는 새로운 방법을 개발했다.
자기 조립되거나 자동 파괴되는 재료들은 일시적인 데이터 저장 시스템 속의 구성요소 또는 의료용 장치와 같은 수많은 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 재료들은 수술 중에 혈관을 막는데 사용될 수 있다. DWI – Leibniz Institute for Interactive Materials in Aachen의 연구진은 자기 조립 형성을 유도하는 단일 시작점의 액체 시스템을 개발했다. 이것은 어떤 추가적인 외부 신호 없이 분해가 생성되기 전의 수명으로 안정성을 재-프로그램한다. 따라서 이것은 닫힌 조건 하의 인공 자기-조절 메커니즘을 나타낸다. 이 연구결과는 저널 Nano Letters에 게재되었다.
복합 재료를 합성하기 위한 생물학적 영감을 얻은 원리들은 이번 연구진을 이끌었던 안드레아스 발터(Andreas Walther)의 주요 관심 연구 분야 중 하나이다. 매우 작고 정교한 물체를 제조하기 위해서, 나노기술의 자기 조립을 사용한다. 주로, 인간이 만든 자기 조립체의 경우에, 분자 상호작용들은 평형을 달성하기까지 3차원 구조 속에 집적될 수 있도록 매우 작은 빌딩 블록으로 유도된다. 그러나 자연은 추가적으로 한 단계 더 나아가서 특정 프로세스가 평형에 도달하는 것을 방지한다. 조립과 분해는 서로 경쟁적이고, 자기-평형을 발생시킨다. 예를 들어, 미세소관(microtubule)은 세포 골격의 구성요소이고, 지속적으로 성장하고 수축하고 재배열한다. 그들은 생물학적 연료가 고갈하게 된다면, 분해될 것이다.
이번 연구진은 이런 원리를 이용해서 분해 반응의 조립 반응과 프로그램된 활성화 간의 정밀한 균형이 재료의 수명을 제어하는 수성(水性)의 폐쇄 시스템을 개발하는데 성공했다. 단일 시작 주입은 전체 프로세스를 개시하는데, 이것은 분해를 촉진하기 위해서 두 번째 신호가 항상 필요한 현재의 반응 시스템과 이 새로운 방법을 차별화시킨다.
이 방법은 프로세스를 제어하기 위해서 pH 변화를 사용한다. 과학자들은 염기와 휴면 비활성화제(dormant deactivator)를 추가함으로써 반응을 시작한다. 그 후에 pH를 빠르게 증가시키고, 빌딩 블록(블록 공중합체, 나노입자 또는 펩티드)은 3차원 구조로 조립된다. 동시에, pH의 변화는 휴면 비활성화제를 자극한다. 이번 연구진은 이것을 다음과 같이 설명했다: “휴면 비활성화제는 느리게 활성화되고, 오프-스위치(off-switch)를 촉진한다. 그러나 이것은 오프-스위치가 완전히 전개되기 전에 시간이 조금 걸린다. 비활성화제의 분자 구조에 따라서, 이것은 수 분, 수 시간, 하루가 걸릴 수 있다. 지금까지 자기 조립된 나노구조들은 안정적이다.”
현재, 가수분해 반응은 휴면 불활성화제를 활성화하는데 사용된다. 그러나 이번 연구진은 더 정교한 버전을 조사하고 있는데, 이것은 자기-파괴 메커니즘을 느리게 시작하기 위한 효소 반응을 포함한다. 이 연구결과는 저널 Nano Letters에 “Generic Concept to Program the Time Domain of Self-Assemblies with a Self-Regulation Mechanism”이라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/nl5039506).
그림. 자기-파괴 메커니즘의 프로그래밍: 이번 연구진은 나노구조의 자기-조립, 수명, 분해를 프로그램할 수 있었다. 나노구조는 단일 고분자 사슬로 구성된다. 이 프로세스는 염기를 첨가함으로써 개시된다. 그 후에 이것은 자발적으로 조절된다.
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-04-13
