나노입자로 만든 디자이너 소재를 향한 새로운 길

더 나은 성능의 재료를 만드는 것은 가능한 가장 작은 규모에서 구조를 더 잘 제어할 수 있다는 의미입니다. 이를 달성하는 특히 효과적인 방법 중 하나는 나노입자를 사용하는 것입니다. 나노입자는 모양과 크기를 고도로 맞춤화할 수 있고 에너지, 의학, 전자 분야 전반에 걸쳐 응용 분야에서 이미 가능성을 보여주었습니다.

그러나 나노입자를 유용한 신물질로 바꾸는 과정은 각 입자와 이웃 입자 사이의 연결 수와 방향을 제어하는 ​​어려움으로 인해 방해를 받았습니다. 연구자들은 입자의 모양을 변경하거나 입자 사이의 견고한 연결 체인을 정밀하게 정렬하려고 시도했지만 두 가지 방법 모두 나노입자가 형성할 수 있는 재료 구조를 제한하고 크기 조정이 어렵습니다.

MIT 연구진이 포함된 팀은 다른 접근 방식을 취하고 있습니다. 연구진은 주변 환경에 따라 의도적으로 변형함으로써 나노입자 네트워크의 패킹을 조절하는 초유연 커넥터 분자를 사용하는 조정 가능한 방법을 개발했습니다. 오늘 Nature Materials에 발표된 논문에서 연구원들은 커넥터 유연성과 전하를 사용하여 네트워크 구조를 조정하는 방법을 보여 주었으며 이 기술을 사용하여 새로운 종류의 나노입자 기반 재료를 만들었습니다.

이 접근 방식은 포토닉스, 화학 촉매, 의학, 농업 등을 위한 고성능 재료를 만드는 보다 다양한 방법을 제공할 수 있습니다.

“사람들은 실제로 어떤 유형의 구조를 만들 수 있는지에 대해 더 많은 발언권을 가질 수 있는 디자이너 재료를 만들 수 있다는 가능성 때문에 나노입자 초격자에 관심이 있습니다.”라고 MIT 재료공학과 금속공학 교수인 Richard P. Simmons(1953) 교수인 Rob Macfarlane은 말했습니다. “이것은 이전에 연구된 적이 없는 나노입자 조립의 새로운 접근 방식입니다. 매우 직관에 반하는 새로운 도구를 갖게 된 것은 흥미롭습니다. 이는 커넥터 리간드를 단단하게 만들어야 하며 어떤 편차라도 조립이 실패하게 된다는 20년 동안의 교리와 정반대입니다. 우리는 반대 극단으로 끝까지 돌리면 잘 작동한다는 것을 보여주었습니다.”

논문에 Macfarlane과 합류한 사람은 MIT 박사 후보 Nicholas Sbalbi입니다. 델라웨어 대학교 박사과정 학생인 Stephen Kronenberger; MIT 학부생 신자와 하나; 매튜 예 박사 ’26; 그리고 전 델라웨어 대학교 교수인 Arthi Jayaraman이 있습니다.

더욱 유연한 구조

재료과학의 기본 진리는 재료의 구조가 그 기능을 좌우한다는 것입니다.

“즉, 빌딩 블록이 무엇인지, 어떻게 배열되어 있는지 알면 재료의 특성을 설명할 수 있습니다.”라고 Macfarlane은 말합니다. “이를 제어하는 ​​것이 새로운 특성을 가진 재료를 만드는 방법입니다.”

나노입자는 과학자들에게 원하는 특성을 가진 재료를 만들 수 있는 유연한 구성 요소를 제공하며 개별 나노입자는 이미 약물 전달, 에너지 저장, 컴퓨팅 및 감지와 같은 다양한 응용 분야에서 사용되고 있습니다. 그러나 그것들을 더 큰 구조로 조립하는 것은 얼마나 촘촘하게 함께 포장되는 경향이 있기 때문에 어려운 것으로 입증되었습니다.

이러한 문제를 극복하기 위해 연구자들은 나노입자를 다른 모양으로 만들어 연결 방식을 변경합니다. 또한 입자 표면의 특정 부분만 끈적하게 만들어 서로 다른 패턴을 형성할 수도 있습니다.

Macfarlane은 “이 두 가지 접근 방식의 문제점은 입자를 만들 때 합성하기가 어렵다는 것입니다.”라고 설명합니다. “개발된 끈적임을 정의하는 방법은 항상 맞춤형입니다. 하나의 재료, 하나의 크기, 하나의 조건에서 작동합니다. 연구에는 좋지만, 그것으로 많은 것을 할 수는 없습니다.”

두 가지 방법 모두 나노입자 표면의 리간드라고 불리는 연결 분자가 단단해야 연구자가 원하는 형성을 유지하는 데 필요한 특정 각도에 머물 수 있어 기능이 더욱 제한됩니다.

새로운 연구를 위해 연구자들은 이러한 접근 방식을 근본적으로 바꾸고 싶었습니다.

“우리는 ‘정확히 반대로 하자: 채권을 유연하게 만들어 처음에 어떤 방향을 가리키든 상관이 없게 하자’고 생각했습니다. 그런 다음 입자가 함께 모이면서 리간드가 재구성될 수 있으며, 재구성 자체가 각 입자가 결합할 수 있는 이웃 수를 제한합니다.”라고 Macfarlane은 말합니다.

Macfarlane의 그룹은 중합체 접목으로부터 다양한 종류의 입자를 만드는 방법을 개발하는 데 수년을 보냈습니다. 새로운 시스템의 나노입자는 팁이 전기적으로 충전된 유연한 리간드를 갖고 있으며 일부는 양전하를 띠고 다른 일부는 음전하를 띠고 있습니다. 반대쪽이 끌어당기므로 리간드가 구부러져 반대 전하와 연결됩니다.

“아이디어는 복잡한 합성 방법을 사용하여 결합이 발생하는 특정 방향을 정의하는 대신 ‘결합은 원하는 만큼 유연할 것이며 결합 안정성을 최대화할 수 있는 원자가로 자발적으로 이동할 것’이라고 말했습니다.”라고 Macfarlane은 말합니다.

Sbalbi가 주도한 실험에서 연구진은 나노입자 크기와 리간드 사슬 길이를 변경하여 연결을 제어할 수 있음을 보여주었습니다. 그들은 또한 이전에 볼 수 없었던 결정 구조로 나노입자를 조립하는 기술을 사용했습니다.

Macfarlane은 “입자가 연결되는 위치나 모양을 미리 설계할 필요 없이 각 입자의 결합 수를 제어할 수 있습니다.”라고 설명합니다. “고분자의 유연성 정도에 따라 결합 수가 결정됩니다. 이를 통해 각 입자가 갖는 결합 수를 낮추고 이전에 본 적이 없는 격자를 만들 수 있습니다.”

맞춤형 소재를 향한 새로운 길

Macfarlane은 이 시스템이 맞춤형 나노입자 기반 재료를 연구실에서 벗어나 세계로 나아가는 단계라고 믿습니다.

“나노입자 조립 커뮤니티에 있는 우리는 입자가 무엇인지, 입자가 어떤 조립에 들어가는지에 대해 완전히 독립적으로 제어할 수 있는 방법에 대해 이야기합니다.”라고 Macfarlane은 말합니다. “이론적으로는 그래야 하지만 실제로는 전혀 그렇지 않았습니다.”

보다 광범위하게, 연구원들은 그들의 접근 방식이 규모에 맞게 맞춤화될 수 있는 물질 구조를 만드는 새로운 경로로서 리간드 유연성을 확립했다고 말합니다.

“나노입자 초격자는 빌딩 블록이 모든 종류의 고유한 특성을 갖는 디자이너 재료를 만드는 방법을 제공합니다”라고 Macfarlane은 말합니다. “그러나 이러한 나노입자를 조밀하게 포장하는 것만으로는 응용이 제한됩니다. 이는 덜 조밀한 나노입자 형성을 얻을 수 있는 방법을 제공하며, 이것이 바로 많은 흥미로운 응용이 있는 곳입니다.”