https://news.mit.edu/2023/arrays-quantum-rods-could-enhance-tv-virtual-reality-devices-0811
https://www.reddit.com/r/AR_MR_XR/comments/15rztrn/arrays_of_quantum_rods_could_enhance_ar_vr/
MIT 엔지니어들은 패턴화된 DNA에 양자 막대를 스캐폴딩하여 이러한 어레이를 생성하는 새로운 방법을 개발했습니다.
퀀텀닷을 통합한 평면 TV는 현재 상용화되었지만, 퀀텀닷의 길쭉한 사촌인 퀀텀봉을 상업용 기기에 맞게 배열하는 것은 더 어려웠습니다. 퀀텀 막대는 빛의 편광과 색상을 모두 제어하여 가상 현실 장치에 3D 이미지를 생성할 수 있습니다.
MIT 엔지니어들은 접힌 DNA로 만든 스캐폴드를 사용하여 양자 막대 배열을 정밀하게 조립할 수 있는 새로운 방법을 고안해냈습니다. 고도로 제어된 방식으로 양자 막대를 DNA 스캐폴드에 증착함으로써 연구진은 어레이에서 방출되는 빛의 편광을 결정하는 핵심 요소인 양자 막대의 방향을 조절할 수 있습니다. 이를 통해 가상 장면에 깊이와 입체감을 더 쉽게 추가할 수 있습니다.
"퀀텀 로드에 대한 도전 과제 중 하나는: 어떻게 나노 단위로 정렬하여 모두 같은 방향을 가리키게 할 수 있을까요?"라고 MIT 생물공학과 교수이자 이번 연구의 선임 저자인 마크 배트(Mark Bathe)는 말합니다. "2D 표면에서 모두 같은 방향을 가리키면 빛과 상호 작용하고 편광을 제어하는 특성이 모두 동일해집니다."라고 설명합니다.
이 논문의 주 저자인 MIT 박사후 연구원 Chi Chen과 Xin Luo는 오늘 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 게재되었습니다. 재료 과학 및 공학 부교수인 로버트 맥팔레인, 알렉산더 카플란 박사 '23, 레스터 울프 화학과 교수인 뭉기 바웬디도 이 연구의 저자로 참여했습니다.
나노 구조
지난 15년 동안 배스와 다른 연구자들은 DNA 종이접기라고도 알려진 DNA로 만든 나노 크기 구조의 설계와 제작을 주도해 왔습니다. 매우 안정적이고 프로그래밍이 가능한 분자인 DNA는 약물 전달, 바이오센서 역할, 빛 수확 물질을 위한 스캐폴드 형성 등 다양한 응용 분야에 사용할 수 있는 작은 구조물의 이상적인 건축 자재입니다.
Bathe의 연구실은 연구자가 만들고자 하는 나노 크기의 목표 모양을 입력하기만 하면 프로그램이 올바른 모양으로 자체 조립될 DNA 서열을 계산할 수 있는 계산 방법을 개발했습니다. 또한 이러한 DNA 기반 물질에 퀀텀닷을 통합하는 확장 가능한 제조 방법도 개발했습니다.
2022년 논문에서 Bathe와 Chen은 확장 가능한 생물학적 제작을 통해 DNA를 사용하여 정확한 위치에 퀀텀닷을 스캐폴딩할 수 있음을 보여주었습니다. 이 연구를 바탕으로 이들은 맥팔레인의 연구실과 협력하여 양자 막대를 같은 방향으로 정렬해야 하기 때문에 더 어려운 2D 어레이로 배열하는 문제를 해결했습니다.
직물을 기계적으로 문지르거나 전기장을 이용해 양자 막대를 한 방향으로 쓸어내어 정렬된 양자 막대 배열을 만드는 기존 접근 방식은 제한적인 성공만 거두었습니다. 고효율 발광을 위해서는 막대들이 서로 최소 10나노미터 이상 떨어져 있어야 이웃의 발광 활동을 '소멸'시키거나 억제하지 않기 때문입니다.
이를 위해 연구진은 이 거리를 유지하기에 적합한 크기로 제작할 수 있는 다이아몬드 모양의 DNA 종이접기 구조에 양자 막대를 부착하는 방법을 고안했습니다. 그런 다음 이러한 DNA 구조를 표면에 부착하면 퍼즐 조각처럼 서로 맞물리게 됩니다.
"양자 막대는 종이접기 위에 같은 방향으로 놓이기 때문에 이제 2D 표면에서 자체 조립을 통해 모든 양자 막대를 패턴화할 수 있으며, 마이크로LED와 같은 다양한 애플리케이션에 필요한 미크론 규모로 이를 수행할 수 있습니다."라고 Bathe는 설명합니다. "제어 가능한 특정 방향으로 방향을 지정할 수 있고, 퍼즐 조각처럼 오리가미들이 서로 자연스럽게 맞물려 있기 때문에 잘 분리된 상태를 유지할 수 있습니다."
퍼즐 조립하기
이 접근법이 작동하기 위한 첫 번째 단계로, 연구진은 DNA 가닥을 양자 막대에 부착하는 방법을 고안해야 했습니다. 이를 위해 첸은 DNA를 양자 막대와 혼합물로 유화시킨 다음 혼합물을 빠르게 탈수시켜 DNA 분자가 막대 표면에 조밀한 층을 형성할 수 있도록 하는 공정을 개발했습니다.
이 과정은 몇 분 밖에 걸리지 않아 기존의 나노 입자에 DNA를 부착하는 방법보다 훨씬 빠르며, 이는 상업적 응용을 가능하게 하는 열쇠가 될 수 있습니다.
"이 방법의 독특한 측면은 나노 입자 표면에 친화력이 있는 물을 좋아하는 모든 리간드에 거의 보편적으로 적용 가능하여 나노 입자 표면에 즉시 밀어 넣을 수 있다는 것입니다. 이 방법을 활용하여 제조 시간을 며칠에서 단 몇 분으로 크게 단축할 수 있었습니다."라고 첸은 말합니다.
그런 다음 이 DNA 가닥은 벨크로처럼 작용하여 양자 막대가 규산염 표면을 코팅하는 얇은 막을 형성하는 DNA 종이접기 템플릿에 달라붙도록 돕습니다. 이 DNA 박막은 먼저 가장자리를 따라 돌출된 DNA 가닥을 통해 인접한 DNA 템플릿을 서로 결합하여 자가 조립을 통해 형성됩니다.
연구진은 이제 에칭 패턴이 있는 웨이퍼 크기의 표면을 만들어 마이크로LED나 증강 현실/가상 현실을 넘어 다양한 애플리케이션을 위한 소자 크기의 양자 막대 배열로 설계를 확장할 수 있기를 희망하고 있습니다.
"이 논문에서 설명하는 방법은 양자 막대의 위치를 공간적, 방향적으로 잘 제어할 수 있다는 점에서 훌륭합니다. 다음 단계는 다양한 길이 스케일에서 프로그래밍된 구조로 보다 계층적인 배열을 만드는 것입니다. 이러한 양자 막대 어레이의 크기, 모양, 배치를 제어할 수 있는 능력은 모든 종류의 다양한 전자 애플리케이션을 위한 관문입니다."라고 맥팔레인은 설명합니다.
"DNA는 생물학적으로 생산할 수 있기 때문에 제조 재료로서 특히 매력적이며, 미국의 떠오르는 바이오 경제에 맞춰 확장성과 지속 가능성을 모두 갖추고 있습니다. 환경적으로 안전한 양자 막대로의 전환을 포함하여 몇 가지 남은 병목 현상을 해결하여 이 연구를 상용 기기로 전환하는 것이 우리가 다음에 집중하고 있는 일입니다."라고 Bathe는 덧붙입니다.
이 연구는 해군 연구실, 국립과학재단, 육군 연구실, 에너지부, 국립환경보건과학연구소의 지원을 받아 수행되었습니다.
