연구원들은 나노 구조 입자의 비틀림 정도를 제어합니다.
미크론 규모의 입자가 비틀리는지 여부뿐만 아니라 머신 비전 등을 위한 새로운 길을 열 수 있는 정도를 결정할 수 있습니다.
날짜:
2023년 3월 15일
원천:
미시간 대학교
요약:
나노입자로 자체 조립된 미크론 크기의 '나비 넥타이'가 정밀하게 제어할 수 있는 다양한 컬링 모양을 형성한다고 연구팀이 밝혔습니다.
전체 이야기
나노입자로 자가 조립된 미크론 크기의 "나비 넥타이"는 정밀하게 제어할 수 있는 다양한 컬링 모양을 형성한다고 미시간 대학이 이끄는 연구팀이 밝혔습니다.
이 개발은 뒤틀린 빛과 상호 작용하는 재료를 쉽게 생산할 수 있는 길을 열어 머신 비전과 의약품 생산을 위한 새로운 도구를 제공합니다.
생물학은 키랄 구조로 알려진 DNA와 같은 꼬인 구조로 가득 차 있지만 꼬임의 정도는 고정되어 있습니다. 변경하려고 하면 구조가 깨집니다. 이제 연구원들은 비틀림 정도를 조작할 수 있습니다.
이러한 재료는 로봇이 복잡한 인간 환경을 정확하게 탐색할 수 있도록 합니다. 뒤틀린 구조는 대부분의 사람이 읽을 수 있는 기호를 구성하는 기호의 2D 배열이 아니라 표면에서 반사되는 광파의 모양으로 정보를 인코딩합니다. 이것은 인간이 간신히 감지할 수 있는 편광으로 알려진 빛의 측면을 이용합니다. 뒤틀린 나노구조는 특정 종류의 원형 편광, 즉 공간을 이동할 때 뒤틀린 모양을 우선적으로 반사합니다.
연구를 이끈 Irving Langmuir Distinguished University 화학 공학 및 교수인 Nicholas Kotov는 "기본적으로 갑각류의 편광 시각과 같습니다."라고 말했습니다. "그들은 어두운 환경에도 불구하고 많은 정보를 수집합니다."
로봇은 인간의 눈에 흰색 점처럼 보이는 표지판을 읽을 수 있습니다. 정보는 반사된 주파수, 트위스트의 조임 정도, 트위스트가 왼손잡이인지 오른손잡이인지의 조합으로 인코딩됩니다.
자연광과 주변광을 사용하지 않고 대신 로봇이 생성하는 원형 편광에 의존함으로써 로봇은 밝거나 어두운 환경에서 신호를 놓치거나 잘못 해석할 가능성이 적습니다. 키랄 메타물질로 알려진 꼬인 빛을 선택적으로 반사할 수 있는 물질은 일반적으로 만들기가 어렵지만 나비 넥타이는 그렇지 않습니다.
"이전에는 수백만 달러의 장비를 사용하여 키랄 메타 표면을 만드는 데 큰 어려움을 겪었습니다. 이제 다양한 용도로 사용되는 복잡한 표면을 사진처럼 인쇄할 수 있습니다."라고 Kotov는 말했습니다.
꼬인 나노구조는 올바른 분자 꼬임으로 제조하기 어려운 키랄 의약품을 생산하기 위한 올바른 조건을 만드는 데 도움이 될 수 있습니다.
Prashant는 "이전에 어떤 키랄 시스템에서도 볼 수 없었던 것은 완전히 꼬인 왼손잡이 구조에서 플랫 팬케이크, 완전히 꼬인 오른손 구조로의 꼬임을 제어할 수 있다는 것입니다. 우리는 이것을 키랄성 연속체라고 부릅니다."라고 말했습니다. 화학 공학 분야의 UM 박사 후 연구원이자 Nature 지 연구의 첫 번째 저자인 Kumar.
Kumar는 나비 넥타이를 폴리아크릴산과 혼합하여 유리, 직물, 플라스틱 및 기타 재료에 두드려 일종의 페인트로 테스트했습니다. 레이저를 사용한 실험은 빛의 꼬임이 나비 넥타이 모양의 꼬임과 일치할 때만 이 페인트가 꼬인 빛을 반사한다는 것을 보여주었습니다.
나비 넥타이는 카드뮴 금속과 왼쪽 및 오른쪽 버전으로 제공되는 단백질 조각인 시스틴을 잿물을 섞은 물에 혼합하여 만듭니다. 시스틴이 모두 왼손잡이라면 왼손잡이 나비 넥타이가 형성되고 오른손잡이 시스틴은 오른손잡이 나비 넥타이를 낳습니다.
그러나 왼손잡이용과 오른손잡이용 시스틴의 비율이 다른 경우 팀은 50:50 비율의 납작한 팬케이크를 포함하여 중간 변형을 만들었습니다. 기본적으로 360도 회전 길이인 가장 팽팽한 나비 넥타이의 피치는 적외선의 파장 범위 내에서 약 4미크론 길이입니다.
"우리는 나비 넥타이의 원자 규모에서 미크론 규모까지의 진행 과정을 알고 있을 뿐만 아니라 우리를 인도하는 힘을 보여주는 이론과 실험도 가지고 있습니다. 이러한 근본적인 이해를 바탕으로 많은 것을 설계할 수 있습니다. 다른 입자"라고 전 UM 화학 공학 박사후 연구원인 Thi Vo는 말했습니다.
그는 이 연구의 공동 교신저자인 Sharon Glotzer와 UM의 화학공학과 Anthony C. Lembke 학과장과 함께 일했습니다.
자가 조립하는 데 며칠이 걸릴 수 있는 다른 키랄 나노구조와 달리 나비 넥타이는 단 90초 만에 형성되었습니다. 팀은 나비 넥타이 스펙트럼 내에서 5,000개의 다양한 모양을 생산했습니다. 그들은 시뮬레이션 분석에 앞서 Argonne National Laboratory에서 X-ray를 사용하여 원자 세부 사항에서 모양을 연구했습니다.
UM, 펜실베이니아 대학교, 이탈리아 팔레르모 대학교, 루마니아 Pro Vitam Ltd의 협력자들이 추가 재료 분석 및 이론에 대한 기여를 제공했습니다. 이 연구는 해군 연구실, 국립 과학 재단 및 육군 연구실의 지원을 받았습니다.
Kotov는 Joseph B. 및 Florence V. Cejka 공학 교수이자 화학 공학 및 고분자 과학 및 공학 교수이기도 합니다. Vo는 현재 Johns Hopkins University의 화학 및 생체 분자 공학 교수입니다. Glotzer는 또한 John Werner Cahn Distinguished University 공학 교수, Stuart W. Churchill 대학 화학 공학 교수, 재료 과학 및 공학, 고분자 과학 및 공학, 물리학 교수입니다.
출처 : https://www.sciencedaily.com/