나노규모 전기모터는 DNA로 설계되고 나노기공 내부의 유체역학적 흐름에 의해 구동되는 터빈을 기반으로 한다(제공: Xin Shi et al.)

과학자들이 세계 최초로 작동하는 나노 규모의 전기 모터를 만들었다. 네이쳐 나노테크놀로지 저널에 게재된 논문에 따르면 DNA로 제작된 터빈을 사용하여 고체 질화규소의 나노기공(막에 있는 나노미터 크기의 구멍) 내부의 유체역학적 흐름에 의해 구동된다.

연구원들은 전기모터가 질병을 탐지하기 위해 혈류 내부의 분자를 기반으로 유용한 화학 물질이나 의료 프로브를 만들기 위해 분자 공장을 건설하는 것과 같은 미래 응용 분야의 연구를 촉발하는 데 도움이 될 수 있다고 말했다.

나노 규모로 설계

나노 기공을 가로지르는 막횡단 전위로 구동되는 DNA 터빈(제공: X. Shi et al.)

"일반적인 거시적 기계는 나노 규모에서는 비효율적이다."라고 일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스의 물리학 교수이자 공동 저자인 알렉세이 악시멘티예프(Aleksei Aksimentiev)가 말했다. "우리는 아주 작은 규모에서 전기모터를 실현하기 위해 새로운 원리와 물리적 메커니즘을 개발해야 한다."

이 작업은 뮌헨 공과대학의 헨드릭 디에츠(Hendrik Dietz)와 델프트 공과대학의 시스 데커(Cees Dekker)가 이끌었다.

DNA 종이접기 분야의 세계적인 전문가인 디에츠는 DNA 분자를 조작하여 30개의 이중 가닥 DNA 나선으로 구성된 작은 모터의 터빈을 만들었다. 데커의 연구실에서는 전기장을 적용하여 터빈이 어떻게 회전하는지 보여주었다.

악시멘티예프의 연구실은 미국 국립과학재단(NSF)이 자금을 지원하는 미국 최고의 학술 슈퍼컴퓨터인 프론테라(Frontera)를 사용하여 모터 작동 방식에 대한 물리적 현상을 특성화하기 위해 500만 개의 원자 시스템에서 전체 원자 분자 역학 시뮬레이션을 수행했다. NSF가 자금을 지원하는 고급 사이버 인프라 조정 생태계에 대한 액세스: 서비스 및 지원(ACCESS) 및 샌디에고 슈퍼컴퓨터 센터 확장 및 퍼듀 대학 앤빌.

전기모터로서의 DNA

분당 최대 10억 회전까지 회전할 수 있는 DNA 나노터빈은 단일 DNA 나선이 인간이 만들 수 있는 가장 작은 전기 모터라는 것을 보여준 이전 연구를 기반으로 한다. 악시멘티예프에 따르면 DNA는 나노 규모의 건축 자재로 등장했다. “이 새로운 연구는 회전 속도와 방향을 제어할 수 있는 최초의 나노 규모 모터이다.”라고 그는 말했다.

“미래에 우리는 새로운 나노규모 전기모터를 사용하여 분자를 합성할 수 있을 수도 있고, 사물이 이동하는 더 큰 분자 공장의 요소로 사용할 수도 있을 것이다.”라고 그는 덧붙였다. "또는 합성 시스템이 혈류로 들어가 한 번에 하나씩 분자나 세포를 조사할 수 있는 소프트 추진 수단으로 상상할 수도 있다."

영화 판타스틱 항해(Fantastic Voyage)에서는 핵잠수함을 탄 미국인 팀이 혈전을 빠르게 고치기 위해 축소되어 과학자의 몸에 주사된다. 악시멘티예프는 이와 같은 일이 실제로 일어날 수 있다고 말했다(소형 인물 부분 제외).

인용: Shi, X., Pumm, AK., Maffeo, C. et al. 나노기공을 가로지르는 막횡단 전위로 구동되는 DNA 터빈. Nat. 나노기술. (2023). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01527-8 (오픈액세스)