유리처럼 강하다

2023년 7월 25일 | Kim Krieger - UConn 커뮤니케이션즈

연구자들은 DNA로 구조를 구축한 다음 유리로 코팅함으로써 밀도가 매우 낮고 매우 강한 물질을 만들었습니다.

(게티 이미지)

강하고 가벼운 소재는 자동차부터 방탄복까지 모든 것을 향상시킬 수 있습니다. 그러나 일반적으로 두 가지 특성은 상호 배타적입니다. 이제 코네티컷 대학교 연구원과 동료들은 DNA와 유리라는 두 가지 예상치 못한 구성 요소를 사용하여 매우 강력하고 가벼운 소재를 개발했습니다.

UConn의 재료 과학자인 이석우 씨는 “주어진 밀도에 대해 우리 재료가 가장 강력하다고 알려져 있습니다.”라고 말합니다. UConn, Columbia University, Brookhaven National Lab의 Lee와 동료들은 7월 19일 Cell Reports Physical Science에 세부 사항을 보고했습니다.

힘은 상대적입니다. 예를 들어 철은 제곱센티미터당 7톤의 압력을 가할 수 있습니다. 그러나 무게는 7.8g/cm3으로 매우 밀도가 높고 무겁습니다. 티타늄과 같은 다른 금속은 철보다 강하고 가볍습니다. 그리고 여러 원소를 결합한 특정 합금은 더욱 강력합니다. 강력하고 가벼운 소재는 가벼운 방탄복, 더 나은 의료 기기를 가능하게 하고 더 안전하고 빠른 자동차와 비행기를 만들었습니다. 예를 들어, 전기차의 주행거리를 ​​늘리는 가장 쉬운 방법은 배터리를 늘리는 것이 아니라 안전성과 수명을 희생하지 않고 차량 자체를 가볍게 만드는 것입니다. 그러나 전통적인 야금 기술은 최근 몇 년 동안 한계에 도달했으며 재료 과학자들은 새로운 경량 고강도 재료를 개발하기 위해 더욱 창의적으로 노력해야 했습니다.

이제 Lee와 동료들은 DNA로 구조를 만든 다음 이를 유리로 코팅하여 밀도가 매우 낮고 매우 강한 물질을 만들었다고 보고했습니다. 유리는 쉽게 부서지기 때문에 놀라운 선택으로 보일 수 있습니다. 그러나 유리는 일반적으로 구조상의 균열, 긁힘 또는 누락된 원자와 같은 결함으로 인해 부서집니다. 흠집 하나 없는 입방센티미터의 유리는 10톤의 압력을 견딜 수 있는데, 이는 지난 달 타이타닉 근처에서 오션게이트 타이탄 잠수정을 폭파시켰던 압력의 3배가 넘는 압력입니다.

결함 없이 큰 유리 조각을 만드는 것은 매우 어렵습니다. 그러나 연구자들은 매우 작은 흠집 없는 조각을 만드는 방법을 알고 있었습니다. 유리의 두께가 1마이크로미터 미만이면 거의 항상 흠집이 없습니다. 그리고 유리의 밀도는 금속이나 세라믹보다 훨씬 낮기 때문에 흠집 없는 나노 크기의 유리로 만들어진 모든 구조물은 튼튼하고 가벼워야 합니다.

연구팀은 자기조립 DNA 구조를 만들었다. 거의 마그나타일과 마찬가지로 특정 길이와 화학적 성질을 지닌 DNA 조각이 서로 결합하여 물질의 골격을 형성합니다. 집이나 건물의 틀이 DNA로 만들어졌다고 상상해 보세요.

컬럼비아 대학교와 브룩헤이븐 기능성 나노물질 센터의 나노물질 과학자인 올렉 강(Oleg Gang)과 애런 미켈슨(Aaron Mickelson)은 그 후 불과 몇 백 원자 두께의 유리 같은 물질의 매우 얇은 층으로 DNA를 코팅했습니다. 유리는 단지 DNA 가닥만 코팅했을 뿐이며, 물질 부피의 상당 부분을 집이나 건물 안의 방과 마찬가지로 빈 공간으로 남겨두었습니다. DNA 뼈대는 얇고 결점 없는 유리 코팅을 강화해 소재를 매우 강하게 만들었으며, 소재 부피의 대부분을 차지하는 공극으로 인해 경량화되었습니다. 결과적으로 유리나노격자 구조는 강철보다 강도는 4배 높지만 밀도는 5배 낮습니다. 가볍고 높은 강도의 이러한 특이한 조합은 이전에 달성된 적이 없습니다.

“DNA를 사용하여 설계된 3D 프레임워크 나노물질을 생성하고 이를 광물화하는 능력은 기계적 특성 엔지니어링에 엄청난 기회를 열어줍니다. 하지만 이를 기술로 활용하려면 여전히 많은 연구 작업이 필요합니다.”라고 Gang은 말합니다.

연구팀은 현재 동일한 DNA 구조로 작업하고 있지만 유리를 훨씬 더 강한 탄화물 세라믹으로 대체하고 있습니다. 그들은 어떤 것이 물질을 가장 강하게 만드는지 알아보기 위해 다양한 DNA 구조를 실험할 계획을 가지고 있습니다. 이와 동일한 개념을 기반으로 하는 미래 소재는 강도를 우선시하는 차량 및 기타 장치의 에너지 절약 소재로서 큰 가능성을 갖고 있습니다. 이씨는 DNA 종이접기 나노구조가 우리가 이전에 상상하지 못했던 더 가볍고 강한 물질을 만드는 새로운 길을 열어줄 것이라고 믿는다.