한 세기 넘게 입증되지 않은 오래된 과학적 예측에 기반해 과학자들이 새로운 물질을 디자인하는 법을 연구했다.

美 에너지국(Department of Energy) PNNL(Pacific Northwest National Laboratory)과 UCLA(University of California, Los Angeles)의 공동 연구는 엔지니어들에게 마이크로일렉트로닉스(microelectronics, 초미소전자공학), 멤브레인 및 조직을 만드는 새로운 디자인 규칙과, 새로운 물질 생성 방안을 제시했다.

7일 사이언스 저널에 실린 이 연구는 한 세기가 넘게 입증되지 않은 과학 이론을 지지한다.

PNNL, 워싱턴 대학교(UW, the University of Washington), UCLA 등에서 행해진 연구에 따르면 일부 물질은 한 번에 한 행씩 표면에 자체 조합(self-assemble)되는 기반 규칙을 따른다.

첫 번째 핵생성(Nucleation) 단계는 구름의 물방울에서 락캔디(사탕) 등에 이르기까지 자연과 기술 영역 전반에 걸친 질서잡힌 구조에서 만연했다. 그러나 미국의 과학자 윌라드 깁슨(J. Willard Gibbs)이 1870년대에 제기한 이같은 예측에도 불구하고 연구자들은 여전히 이 기본적인 과정이 어떻게 일어나는지에 대해 논쟁하고 있다.

깁스(Gibbs)의 고체화(solidification)에서 자유에너지 변화(free energy change).

이 새로운 연구는 깁스의 한 행씩(row by row) 형성되는 물질에 대한 이론을 입증한다. PNNL에서 연구하는 UW대학원생 제준 첸(Jiajun Chen)이 이끄는 이 연구는 기반 재료공학에 새로운 길을 열어주는 기본 메커니즘을 밝힌다.

첸은 펩타이드(peptides)라는 작은 단백질 조각을 사용해 물질 표면에 특이성 또는 독특한 함유물을 확인했다. UCLA 동료 연구자들은 나노 물질이 촉매 반응이나 반도체 장치에서 요구되는 것과 같은 특정 형태로 자라도록 통제하기 위해 물질에 특화된 펩타이드를 확인하고 사용하고 있다. 연구팀은 특정 펩타이드(예 : 이황화 몰리브덴에 강한 결합 친화력을 갖는 물질)가 물질과 어떻게 상호 작용 하는지를 조사하는 과정에서 이같은 발견을 했다.

논문의 교신저자인 PNNL 재료공학자 제임스 요레오(James De Yoreo)는 첸의 박사논문을 지도했다. 그는”완전히 행운(serendipity)이었다”며 “우리는 펩타이드가 자체의 고도로 정돈된 구조로 조합되는 것을 기대하지 않았다”고 말했다.

다른 한 명의 교신저자인 UCLA 재료공학자 유 황(Yu Huang)은 “이 펩타이드가 분자 진화 과정에서 밝혀 졌기때문에 일어난 일”이라며 “자연은 에너지 소비를 최소화하고 경이로움을 일구는 길을 찾는다”고 말했다.

전형적인 핵생성 이론

액체 상태 물이 고체 얼음으로의 변형은 고체 – 액체 경계면의 생성을 필요로 한다. 깁스(Gibbs)의 전형적인 핵생성 이론(Classical nucleation theory)에 따르면, 물을 얼음으로 바꾸면 에너지가 절약되지만 얼음을 물로 만들면 에너지가 소비된다. 까다로운 부분은 초기 단계다. 즉, 얼음 입자의 표면적이 얼음 입자의 체적에 비해 크기 때문에 저장되는 것보다 얼음 조각을 만드는데 더 많은 에너지가 소요된다.

nucleationschematic. credit:Princeton University.

깁스 (Gibbs)의 이론에 따르면 재료가 한 차원 즉, 한 행씩 성장할 수 있다면 이러한 에너지 페넡티는 존재하지 않는다. 그렇다면 이 물질은 과학자들이 핵생성 장벽(nucleation barrier)이라고 부르는 것을 피할 수 있으며 자기 조합(self-assemble)이 자유롭다.

핵생성 이론에 관한 논란이 최근에도 있었다. 일부 연구자들은 근본적인 과정이 실제로 깁스의 모델에서 제안한 것보다 더 복잡하다는 증거를 발견했다.

그러나 드 요로는 “이 연구는 특정한 사례들에서 깁스의 이론이 더 잘 작동하는 경우가 있음을 보여준다”라고 말했다.

이전의 연구에 따르면 사이언스 논문의 펩타이드를 포함하는 일부 유기 분자가 표면에서 자체 조합 될 수 있음을 입증해왔다. 그러나 PNNL에서 드 요로와 그의 팀은 더 깊이 파고 들어서 물질과 함께 분자 상호 작용이 핵 생성과 성장에 미치는 영향을 이해할 수 있는 방법을 발견했다.

그들은 이황화 몰리브덴 기질의 새로운 표면에 펩타이드 용액을 노출시켜 원자력 현미경(atomic force microscopy)으로 핵생성 분자 상호 작용을 측정, 분자 역학 시뮬레이션과 비교했다.

드 요로와 그의 연구팀은 매우 초기 단계에서도 펩타이드가 한 번에 한 줄씩 물질에 결합돼 깁스의 이론이 예측하는 것과 같이 장벽이 없다고 확인했다.

원자현미경(AFM)의 높은 이미징 속도로 인해 연구자는 행이 형성되는 것을 볼 수 있었다. 결과는 행이 처음부터 순서대로 정렬되었고 크기에 관계없이 동일한 속도로 성장했다는 것을 보여주었다. 이는 중요한 증거다. 그들은 또한 기존 행이 성장하기에 충분한 펩타이드가 솔루션에 포함되는 즉시 새로운 행을 형성했다. 행 형성 장벽이 없는 경우에만 발생한다.

이 행 단위 행 프로세스는 2D 재료의 설계를 위한 단서를 제공한다. 현재 특정 모양을 형성하기 위해 설계자는 때때로 물체가 역학적으로 균형 잡힌 상태인 평형(equilibrium)이나 균형(balance)에서 벗어나야 하는데 이는 시스템 통제를 어렵게 한다.

드 요로는 “그러나 1차원에서, 질서 정연한 구조로 형성하는 것은 어렵지 않다”며 “그러면 평형 근처에서 바로 작동 할 수 있으며 시스템의 제어력을 잃지 않고 이러한 구조를 성장시킬 수 있다”고 말했다.

그것은 엔지니어링 마이크로 일렉트로닉스 또는 신체 조직을 위한 조합 방식을 변경할 수 있다.

고도로 정연한 이차원 배열의 펩타이드는 행(row) 단위로 조합해 예상 핵생성 장벽(nucleation barrier) 을 피한다. cridit : PNNL.

UCLA 황(Huang) 교수팀은 솔루션에서 상호 작용을 통해 조립되는 2D 재료를 기반으로 한 장치에 새로운 기회를 제시했다. 그러나 그녀는 그러한 재료를 만드는 데 사용된 현재의 수동 공정에는 확장성을 포함한 한계가 있다고 말했다.

황 교수는 “새로운 이해로 이제는 자동 조합 프로세스(automatous assembly processes)을 위해 분자와 2D 재료 간의 특수한 상호 작용을 활용할 수 있게 됐다”고 말했다.

드 요로의 다음 연구는 새 논문에서 제시한 펩타이드와 동일한 성질을 가진 인공 분자를 만드는 것이다.

PNNL 연구팀은 펩티드와 합성하기 쉽지만 원하는 물질을 만드는 과정에서 사용되는 온도와 화학 물질을 보다 잘 처리 할 수 있는 안정된 펩토이드(peptoids)를 주시하고 있다. 펩토이드는 생체 단백질의 기능을 인공적으로 모사하기 위해 개발된 신물질로 아미노산 40개 이하가 모여 이루어진 생체고분자인 펩타이드의 유도체다.

* 연구에 참여한 다른 이들은 PNNL, UW, UCLA, UCLA California NanoSystems Institute 및 콜로라도대학(University of Colorado, Boulder)등에서 연구하고 있다. 시뮬레이션은 Energy Office of Science 사용자 시설의 Argonne Leadership Computing Facility를 사용해 수행됐다.