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  • 나노입자의 자기 조립과 회전 간의 상관관계등록일 : 2015/12/06
  • 단백질과 콜로이드와 같은 나노입자를 회전시키는 것은 복합체와 클러스터 속에 이러한 입자들을 자기 조립하는데 중요한 역할을 한다. 이것은 HIMS(Van `t Hoff Institute for Molecular Sciences)의 ACMM(Amsterdam Center for Multiscale Modeling)과 위트레히트 대학(University of Utrecht)의 연구진에 의해서 수행되었다. Proceedings of the National Academy of Sciences에 게재된 최근 연구에서, 이번 연구진은 이러한 고찰이 새로운 기능성 재료의 제조를 위한 추가적인 디자인 원리를 제공할 수 있을 것이라고 기대하고 있다.

    자연에서, 분자 자기 조립은 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 단백질은 세포 네트워크 속에 신호를 전달하는 바이러스 또는 단백질 복합체를 형성하기 위해서 서로 결합된다. 이러한 프로세스는 자발적인 자기 조립을 통해서 기능성 재료를 위한 분자 빌딩 블록을 디자인하는 과학자들에게 새로운 영감을 줄 것이다. 단백질 이외에도, 합성 폴리펩티드(polypeptide) 또는 콜로이드 입자들이 사용된다. 이러한 블록 구조는 자기 조립 프로세스와 최종 물질의 기능성에 영향을 끼칠 수 있다.

    공정 역학이 중요하다
    특별한 특성을 가진 물질을 만들기 위해서, 과학자들은 자기-조립 결과를 예측하고 싶어 한다. 일반적으로, 그들은 각각의 빌딩 블록 간의 예측된 상호작용을 기반으로 해서 가장 안정적인 재료 구조를 디자인했다. 그러나 최종 결과는 자기 조립 프로세스의 동역학에 의존한다.

    이번 연구진은 간단한 단백질 모델을 위한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용해서 자기 조립 동역학을 조사했다. 그들은 자기 조립이 입자들의 회전에 어떤 영향을 미치는지를 집중적으로 조사했다. 이 연구는 FOM 재단(FOM Foundation)으로부터 자금을 지원받았다.

    아인슈타인 법칙을 항상 따르지 않는 회전 확산
    많은 자기 조립 시뮬레이션의 경우에, 입자의 회전은 그들의 변형과 함께 고려된다. 두 개의 축면들은 소위 스토크-아인슈타인 관계(Stokes-Einstein relation)에 의해서 주로 연결된다. 그러나 최근의 실험들은 이런 결합이 항상 필요하지 않다는 것을 밝혔다. 이것은 살아 있는 세포의 세포질(cytoplasm)과 같은 환경처럼 특히 자기 조립하는 조건 하에서 적용된다.

    이번 시뮬레이션에서, 연구진은 스토크-아인슈타인 커플링의 방출 결과를 조사했다. 두 개의 입자 간에 강한 효과가 발생한다. 이런 효과는 준안정 중간 상태가 가능할 때 다중 입자들을 가진 시스템과 매우 관련되어 있다. 4개의 입자들로 클러스터가 형성되는 시뮬레이션의 경우에, 회전 확산이 변함으로써 자기-조립 경로의 선호도가 상당히 변화된다. 이번 연구진은 모든 크기의 클러스터에서 이 연구결과를 일반화시킬 수 있었다.

    신소재
    이번 연구진은 이 연구결과가 기능성 재료의 상향식 합성을 더 잘 제어할 수 있는 새로운 기회를 제공할 수 있다고 주장했다. 예를 들어, 회전은 자기장 또는 전기장으로 제어될 수 있는 입자를 디자인할 수 있게 할 것이다.

    이 연구는 자연의 자기 조립 프로세스에 대한 회전 확산의 영향을 더 잘 이해하는데 도움을 줄 수 있을 것이다. 예를 들어, 세포질 속의 분자와 같이 매우 복잡한 환경을 더 잘 이해할 수 있게 할 것이다. 이 연구결과는 바이러스와 같은 단백질 복합체 형성을 모델링하기 위한 기초를 마련할 것이다. 이 연구결과는 Proceedings of the National Academy of Sciences에 “Rotational diffusion affects the dynamical self-assembly pathways of patchy particles”라는 제목으로 게재되었다.

    그림. 회전 확산이 감소할 때 발생하는 조립 메커니즘의 변화. 각 원은 준안정 상태를 나타낸다. 흑색 점은 입자들이 서로 고정되는 장소를 나타낸다. 한 개의 입자는 대비가 명확하도록 오렌지 색상으로 나타낸다. 화살표의 두께는 조립 경로의 가능성을 반영한다. 느린 회전의 경우에, 한 개의 경로는 다른 경로와 비해서 더 선호된다.
  • 키워드 : 나노입자, 자기 조립, 회전
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑