재료 과학
DNA 모아레 격자가 새로운 자체 조립 재료를 가능하게 함
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격자 메타물질
재료 과학의 새로운 최전선은 격자 내 미세 구조를 조립하는 것으로, 규칙적인 반복 패턴을 가진 복합 구조이며 종종 교차된 스트립이나 선으로 이루어집니다.
이러한 구조는 종종 재료의 특성을 완전히 바꾸며, 예를 들어 훨씬 더 강하게, 더 유연하게, 빛을 다르게 반사하도록 만들 수 있습니다.
이 격자는 다양한 기본 형태를 가질 수 있으며, 예를 들어 정사각형, 육각형 벌집, 카고메 등이 있습니다.
출처: Research Gate
추가적인 가능성은 격자 재료의 두 층을 결합하여 개별 층의 잠재력을 훨씬 뛰어넘는 더욱 고급된 특성을 창출하는 것입니다. 예를 들어, 텅스텐-셀레늄 물질로 만든 트위스티드 이중층의 잠재적 초전도 특성에 대해 논의했습니다.
새로운 유사 유형의 재료가 현재 스투트가트 대학교, 애리조나 주립대학, 그리고 막스 플랑크 연구소 연구원들에 의해 발명되었습니다.
그들은 DNA 분자를 이용해 자체 구축 구조를 만들었으며, 이는 빛, 소리, 전자를 제어하는 방식을 혁신할 수 있습니다. 이들은 그 결과를 권위 있는 과학 저널 Nature Nanotechnology1에 “DNA moiré superlattices”라는 제목으로 발표했습니다.
모아레 초격자
| 스케일 | 재료 예시 | 대략적인 크기 | 조립 방법 |
|---|---|---|---|
| 원자 | 그래핀 이중층 | ~0.1 nm | 기계적 적층 및 트위스팅 |
| 나노스케일 | DNA 모아레 초격자 | ~40 nm | 자체 조립 DNA 오리가미 |
| 미시적 | 광자 결정 | ~1 µm | 정밀 제작 |
모아레 초격자는 작은 트위스트 각도 또는 격자 불일치를 가진 2차원(2D) 물질을 겹쳐서 만든 인공 물질입니다.
이 불일치는 초기 두 격자의 기본 패턴과는 다른 추가적인 “초패턴”, 즉 모아레 패턴을 생성합니다. 빛이나 전자가 이 모아레 패턴과 상호작용하면서 새로운 물성을 얻게 됩니다.
지금까지 물질 과학에서 모아레 패턴은 두 가지 극단적인 스케일에서만 구현되었습니다: 원자 규모(예: 그래핀 층, 0.1 나노미터) 혹은 미시적 규모(예: 수천분의 1 미터).
이러한 제품은 일반적으로 생산이 매우 복잡하며, 전달, 적층, 트위스팅 및 서브격자 정렬과 같은 세심한 제작 단계가 필요합니다.
그러나 나노미터 단위의 중간 스케일에서는 모아레 초격자가 존재하지 않았습니다. 이는 연구원들이 DNA를 이용해 최초로 만든 사례입니다.
DNA 초격자
DNA는 자연적으로 나노스케일에서 복잡한 패턴으로 자체 조직되는 특수한 소분자이며, 연구진은 이 특성을 활용해 상호 연결된 DNA 나선으로 구성된 DNA 오리가미 번들을 구축했습니다.
두 번째 구성 요소는 정사각형, 육각형 벌집, 카고메 형태의 단일 가닥 타일(SST)로 이루어진 2D DNA 타일 서브격자였습니다. 전자현미경(TEM)으로 격자 구조의 규칙성과 품질을 확인했습니다.
연구진은 DNA 오리가미 번들을 “시드”로 사용하여, 그 주위에 훨씬 큰 격자가 자연스럽게 자체 조직되도록 했습니다. 서로 다른 시드를 사용하면 서로 다른 형태의 DNA 격자를 만들 수 있어 최종 형태를 정밀하게 제어할 수 있습니다.
생산 과정에서 많은 격자가 서로 섞여 DNA 분자로 이루어진 이중층 격자를 형성했습니다. 시드와 온도의 변화를 조절하면 이중층과 단일층 격자의 비율을 어느 정도 제어할 수 있습니다.
DNA 이중층 및 삼중층 분석
주사 전자 현미경(SEM)을 이용해 연구진은 이들 이중층 나노스케일 구조를 분석했습니다.
단일층의 높이는 약 39.0 nm이며 폭은 약 1 µm 정도입니다.
트위스티드 이중층이 동일한 서브격자(정사각형‑정사각형, 카고메‑카고메, 벌집‑벌집)를 사용할 경우 두 단일층이 거의 완전(하지만 전부는 아님)하게 겹칩니다.
이 조합들이 혼합 패턴에 비해 가장 흥미로운 모아레 패턴을 만들어냈습니다.
연구진은 삼중층 패턴도 만들었으며, 이 역시 더욱 복잡한 모아레 패턴을 형성하고 자체 조립됩니다.
혼합된 층에서도 흥미로운 패턴이 나타났으며, 예를 들어 정사각형‑카고메‑정사각형 삼중층이 있습니다. 앞으로 다른 시드와 DNA 구조를 활용하면 더 많은 패턴을 만들 수 있을 것으로 보입니다.
이러한 패턴의 개발을 더욱 정밀하게 제어하기 위한 방안도 이미 연구진에 의해 검토되고 있습니다. 예를 들어, 오리가미 시드를 나노패브리케이션 방법을 이용해 기판 위에 정확히 배치하면 칩 상의 미리 정의된 위치에 조립될 수 있습니다.
응용 분야
자체 조립 DNA 격자와 새로운 유형의 재료 제조 기술은 나노스케일에서 정밀 제조가 필요한 모든 분야에 적용될 수 있습니다.
이는 주로 높은 공간 해상도, 정확한 주소 지정 가능성, 그리고 프로그래밍 가능한 대칭성을 거의 완벽하게 결합하기 때문입니다.
이러한 구조의 첫 번째 응용은 나노스케일 스캐폴드로 활용하는 것입니다. 예를 들어, 형광 분자, 금속 나노입자, 혹은 반도체를 맞춤형 2D·3D 구조에 부착할 수 있습니다.
또 다른 옵션은 다층 격자를 화학적 변형을 통해 강체 프레임워크로 만드는 것입니다.
그 후에는 포논 결정이나 기계 메타물질로 재활용되어 진동 응답을 조절할 수 있으며, 이러한 시스템은 센서와 광자 컴퓨팅에 많은 잠재적 응용을 가집니다.
마지막으로, DNA는 전자의 스핀에 따라 전자를 필터링하는 것으로 알려져 있어, 이러한 격자는 스핀 선택적 전자 전달 특성을 가질 수 있습니다.
“이것은 양자 물질을 모방하는 것이 아니라 설계 공간을 확장하고 기하학적 제어를 분자 자체에 직접 삽입함으로써 새로운 유형의 구조화된 물질을 바닥부터 구축할 수 있게 하는 것입니다.”
교수 Laura Na Liu – 소장 of the 제2물리학 연구소 of Stuttgart University
DNA 및 나노기술에 투자
Twist Biosciences
TWST 가격 차트
이 회사는 DNA 합성에 특화되어 있으며, 반도체 산업의 미니어처화 방법을 활용해 연구자의 시간과 비용을 절감합니다.
첨단 DNA·RNA 합성 능력을 바탕으로, 항응고제 시장이 성장한다면 Twist는 빠르게 주요 aptamer 제조업체가 될 수 있습니다.
“중립적인” 생산자로서 최적의 가격에 최고의 핵산 서열을 제공하는 것을 목표로 하므로, 데이터 저장이나 항응고 aptamer와 같은 유용한 핵산을 상용화하려는 모든 제약 회사의 제조 파트너가 될 수 있습니다.
2023년 1월, 회사는 최근 개설한 두 번째 제조 시설에서 제품 출하를 시작했습니다. 새로운 공장은 Twist의 생산 능력을 두 배로 늘릴 것입니다.
또한 DNA 기반 데이터 저장을 개발 중이며, 이는 전자 시스템과 무관하게 데이터를 안전하게 보관하는 데 활용될 수 있습니다.
이 미니어처화는 반응 부피를 1,000,000배 감소시키면서 처리량을 1,000배 증가시켜, 단일 실리콘 칩에서 9,600개의 유전자를 전면 규모로 합성할 수 있게 합니다.
회사는 산업용 DNA 제품 생산에 전문성을 갖추고 있어, 반도체, 화학, 컴퓨팅 산업에서 나노구조를 구축하는 핵심 도구로 DNA가 활용될 경우 큰 이익을 얻을 수 있습니다. 이는 주문형 DNA 화학 물질, DNA 기반 데이터 저장, DNA 격자 등 다양한 형태로 나타날 수 있습니다.
최신 Twist Biosciences (TWST) 주식 뉴스 및 개발
참조 연구
1. Jing, X., Kroneberg, N., Peil, A. et al. DNA moiré superlattices. Nature. Nanotechnology. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-01976-3
