SF의 멋진 점 중 하나는 그것이 실제 과학과 혁신에 영감을 줄 수 있다는 것이다. 쥘 베른(Jules Verne)의 해저 20,000리그는 수중 탐험을 더욱 대담하게 만들었다. 윌리엄 깁슨(William Gibson)의 뉴로맨서(Neuromancer)는 인터넷 발전에 영향을 미쳤고 닐 스티븐슨(Neal Stephenson)의 스노우 크래쉬(Snow Crash)는 메타버스 개념을 대중화했다. 더글러스 애덤스(Douglas Adams)의 은하수를 여행하는 히치하이커를 위한 안내서는 우리에게 삶, 우주, 그리고 모든 것에 대한 답을 제공하는 것 외에도 전자책의 아이디어를 소개했다.

공상과학소설이 어떤 다른 진정한 발전을 성공적으로 이끌어낼지 누가 알겠는가? 비행 자동차들? 우주 도시? 아이언맨 슈트?

사실, 그 마지막 것은 이미 돌파구를 마련했다. 컬럼비아 대학교, 브룩헤이븐 국립 연구소, 코네티컷 대학교의 연구원들은 최근 토니 스타크에게 어울리는 소재를 만들 수 있는지 알아보기 위해 팀을 구성했다. 그들이 개발한 것은 강철보다 4배 강하고 5배 가벼운 소재였다. 그리고 그들은 유리와 DNA만을 사용하여 그것을 만들었다.

DNA, 모여라!

엔지니어들은 성능과 효율성을 향상시키면서 제조 비용을 절감할 수 있는 경량 소재를 선호한다. 강한 재료는 기계적 사용으로 인한 스트레스를 견디기 때문에 가치가 높다.

이러한 품질의 균형을 이루는 재료를 찾으면 광범위한 적용과 개선이 가능하다. 예를 들어, 가벼운 자동차는 무거운 자동차보다 더 적은 연료를 사용하면서 더 멀리 이동할 수 있지만, 여전히 안전할 만큼 튼튼해야 한다. 불행하게도 강함과 부드러움은 종종 상충된다. 강한 재료는 더 무겁고, 가벼운 재료는 내구성이 떨어지는 경향이 있다.

문제를 더욱 복잡하게 만드는 것은 제조이다. 대규모 생산으로 인해 복잡한 분자 구조를 가진 재료에 결함과 결함이 생길 수 있다. 유리가 완벽한 예이다. 우리는 유리가 너무 쉽게 부서지기 때문에 깨지기 쉽다고 생각한다. 그러나 이는 미세한 균열이나 누락된 원자와 같은 결함과 불순물로 인해 발생한다. 연구원들은 흠집 하나 없는 입방센티미터의 유리가 “10톤의 압력을 견딜 수” 있다고 지적한다.

“나는 아이언맨 영화의 열렬한 팬이며, 아이언맨을 위한 더 나은 갑옷을 만드는 방법에 대해 항상 궁금했다. 그가 더 빨리 날려면 매우 가벼워야 한다. 적의 공격으로부터 그를 보호하려면 매우 강력해야 한다.”라고 컬럼비아의 연구 저자이자 나노재료 과학자인 올렉 갱(Oleg Gang)이 말했다.

결함을 줄이기 위해 팀은 나노 규모로 새로운 재료를 구성하기로 결정했다. 이런 식으로 그들은 섬세한 분자 배열을 더 잘 제어할 수 있었다. 하지만 먼저 그들은 분자를 배열할 틀이 필요했고 그들이 선택한 발판은 DNA였다.

DNA는 이 작은 규모로 구성하는 데 몇 가지 장점이 있다. 우선, 이는 이미 자연에 존재하며 널리 이용 가능하다. 이는 또한 단량체(뉴클레오티드라고 함)로 구성된 중합체이기도 하다. 이는 DNA를 일상적인 합성 고분자 고무 및 폴리에스테르와 마찬가지로 탄력 있고 탄력 있는 물질로 만든다. 그리고 이러한 특성으로 인해 나노 구조를 구축하기 위한 견고한 프레임이 만들어진다.

DNA 유리 프레임워크의 이미지. (A) DNA 종이접기 틀을 구축하는 과정. (B) 격자 조립 전 DNA 종이접기 팔면체의 투과 전자 현미경 이미지이다. (C) 팔면체 프레임이 일단 연결되었다. (제공: Michelson et al. / Cell Reports Physical Science)

프레임을 만들기 위해 팀은 일본 종이 접기 기술의 이름을 딴 "DNA 종이접기"라는 기술을 사용했다. 그들은 액체 용액에서 큰 DNA 가닥("스캐폴딩 가닥"이라고 함)과 짧은 가닥("스테이플 가닥"이라고 함)을 결합했다. 이러한 스테이플 가닥은 특정 위치의 지지대 가닥에 결합된다. 일단 부착되면 비계 가닥을 접고, 예술적인 이름처럼 이 접힌 부분이 결국 원하는 모양이 된다. 이 경우에는 팔면체(두 개의 피라미드가 서로 붙어 있는 것과 같은 3D 모양)이다. 팔면체는 그 지점에서 서로 결합하여 격자라고 알려진 반복 패턴을 만든다.

또 하나의 장점은 DNA가 자가 조립된다는 것이다. 수소 결합은 스캐폴딩의 DNA 염기와 스테이플 가닥이 서로 연결되도록 보장한다. 연구자들은 용액을 가열하고 어닐링하기만 하면 된다. 짜잔 DNA 격자이다! “우리는 복잡한 3D 비계를 형성하기 위해 DNA를 프로그래밍 가능한 나노물질로 사용하는 데 중점을 두었고, 이 비계가 더 많은 구조로 옮겨졌을 때 기계적으로 어떻게 작동하는지 탐구하고 싶었다. 안정적인 고체 물질”이라고 이번 연구의 주요 저자이자 브룩헤이븐(Brookhaven)의 박사후 연구원인 아론 마이컬슨(Aaron Michelson)이 말했다.

나노 스트레스 테스트

다음으로 연구진은 얇은 실리카 유리 층에 DNA 격자를 코팅했다. 유리층의 두께는 약 5나노미터에 불과하며, 보는 방법에 따라 수백 원자 두께에 불과하다. 재료를 초경량으로 유지하기 위해 격자의 내부 공간을 채우지 않기로 결정했다.

갱은 “우리는 유리와 같은 일반 재료를 나노 규모로 구조화하여 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 방법을 탐구하는 데 매우 관심이 있었다.”라고 덧붙였다.

물론 이 규모에서는 만능시험기와 같은 기존 방법으로는 신소재의 특성을 테스트하는 것이 불가능했다. 대신 연구진은 나노압입(nanoindentation)이라는 기술을 선택했다. 본질적으로, 작은 탐침은 DNA 유리 물질에 압력을 가하고 전자현미경을 통해 연구자들은 그 행동을 측정할 수 있었다. 테스트 결과 해당 소재는 1~5기가파스칼(10억 파스칼에 해당하는 압력 단위)의 항복 강도에 도달할 수 있는 것으로 나타났다. 비교를 위해 기가파스칼은 일반적으로 지질학자들이 지구 맨틀 내의 엄청난 압력을 측정하는 데 사용된다.

나노압입 테스트로 이어지는 팔면체 격자로 이어지는 DNA 종이접기의 그래픽 표현이다. (제공: Michelson et al. / Cell Reports Physical Science)

“우리의 새로운 소재는 강철보다 5배 가볍지만 4배 더 강하다. 따라서 우리의 유리 나노 격자는 아이언맨의 향상된 갑옷을 만드는 데 다른 어떤 구조 재료보다 훨씬 뛰어날 것이다.”라고 갱은 말했다.

연구 저자이자 코네티컷 대학의 재료 과학자인 이석우 씨는 다음과 같이 덧붙였다. “주어진 밀도에 대해 우리 재료는 가장 강력하게 알려져 있다.” 연구팀은 동료 검토를 거친 공개 학술지인 Cell Reports Physical Science에 연구 결과를 발표했다. - Cell Press의 저널 출처.

옷을 입을 시간인가?

그렇긴 하지만, 이 재료로 아이언맨 수트를 만들기까지는 시간이 좀 걸릴 수 있다. 연구진은 격자가 클수록 결함이 발생하기 쉽다는 사실을 발견했다. 가장 흔한 것은 구조의 공허함과 공석으로 인해 강도가 저하되었다. 또한 DNA를 안정적으로 유지하는 데 사용되는 완충 용액은 탄소, 인, 질소와 같은 불순물을 혼합물에 추가할 가능성이 있었다.

“DNA를 사용하여 설계된 3D 프레임워크 나노물질을 생성하고 이를 광물화하는 능력은 기계적 특성 엔지니어링에 엄청난 기회를 열어준다. 하지만 이를 기술로 활용하려면 아직 많은 연구가 필요하다”고 말했다.

앞으로 팀은 이러한 기술을 사용하여 더욱 강력한 재료를 만들 수 있는지 확인하고 싶어한다. 한 가지 가능성은 다양한 격자 구성을 사용하여 나노구조를 구축하는 것이다. 또 다른 방법은 격자를 카바이드 세라믹과 같은 다른 재료로 코팅하는 것이다.

이러한 나노구조가 아이언맨(또는 앤트맨) 크기로 확장되지 않더라도 나노구조는 여전히 미래 기술을 구축하거나 초전도체 및 배터리 음극과 같은 현재 기술을 개선하는 데 도움이 될 잠재력을 가지고 있다. 공상 과학 소설과 공상 과학 소설의 파트너십이 또 다른 승리를 거두었다.