자가 조립

Self-assembly
지질(a), 단백질(b) 및 (c) SDS-사이클로덱스트린 복합체의 자가 조립. SDS는 탄화수소 꼬리(노란색)와 SO4 헤드(파란색 및 적색)를 가진 계면활성제인 반면, 사이클로덱스트린은 사카라이드 고리(녹색 C와 적색 O 원자)이다.
산화철 나노입자전송 전자 현미경 이미지. 점선 경계 내에 정기적으로 배열된 점은 Fe 원자의 열이다. 왼쪽 삽입은 해당하는 전자 회절 패턴이다. 축척 막대: 10 nm.[1]
산화철 나노입자는 유기용제(톨루엔)로 분산될 수 있다. 증발할 때, 그들은 마이크론 크기의 중간크기(중앙) 또는 다층기(오른쪽)로 자체 조립할 수 있다. 왼쪽 영상의 각 점은 위의 영상에서 보이는 전통적인 "원자" 결정이다. 스케일 막대: 100nm(왼쪽), 25μm(중앙),[1] 50nm(오른쪽)
Au(111) 표면(상단) 및 그 모델(하단; 분홍색 구들은 Br 원자)에 자체 조립된 Br-pyrene4 분자의 STM 이미지.[2]

자가조립은 기존 구성 요소의 질서 정연한 시스템이 외부 방향 없이 구성 요소들 자신들 사이의 특정한 국소적 상호작용의 결과로 조직적인 구조나 패턴을 형성하는 과정이다. 구성 요소가 분자일 때, 그 과정은 분자 자가 조립이라고 불린다.

(104) 지향 석회암에 2-아미노테레프탈산 분자의 자가 조립을 위한 AFM 영상.[3]

자가 조립은 정적 또는 동적 중 하나로 분류할 수 있다. 정적 자가조립에서는 시스템이 평형에 접근함에 따라 순서가 정해진 상태가 형성되어 자유 에너지를 감소시킨다. 그러나 동적 자체 조립에서 특정 국소 상호작용에 의해 조직된 기존 구성 요소의 패턴은 관련 학문의 과학자들에 의해 일반적으로 "자체 조립"으로 설명되지 않는다. 이러한 구조는 종종 서로 교환하여 사용되기도 하지만 "자체 조직"으로 더 잘 설명된다.

화학과 재료과학의 자기집합

왼쪽의 DNA 구조(구성표 표시)는 오른쪽의 원자력 현미경으로 시각화한 구조로 자체 조립한다.

고전적 의미에서의 자기조립은 비공생적 상호작용에 의한 분자단위의 자발적이고 가역적구조로 정의될 수 있다. 이 정의가 시사하는 자가조립 시스템의 첫 번째 특성은 자가조립 과정의 자발성이다: 자가조립 시스템의 형성을 책임지는 상호작용은 엄밀히 말하면 국부적 차원에서 작용한다. 즉, 나노구조체 자체가 구축된다.

비록 자기조립은 일반적으로 약하게 상호 작용하는 종들 사이에서 발생하지만, 이 조직은 강한 결합의 공동 가치 체계로 이전될 수 있다. 이에 대한 예는 폴리옥소메탈레이트의 자가 조립에서 관찰될 수 있다. 증거는 그러한 분자들이 작은 옥소메탈산염 이온에 의해 먼저 용액에서 비균등하게 조립된 후, 조립된 단위를 균등하게 결합하는 응축 반응통해 결합된다는 것을 암시한다.[4] 이 과정은 형성된 종을 통제하기 위한 템플리트의 도입에 의해 도움을 받을 수 있다.[5] 이와 같이 고도로 조직화된 공밸런스 분자는 특정한 방식으로 형성될 수 있다.

자가 조립 나노 구조는 어떤 물리적 원리에 의해 유도된 개별 나노 규모의 물체를 주문하고 집적시킨 결과 나타나는 물체다.

특히 자기조립을 추진할 수 있는 물리적 원리의 반직관적인 예는 엔트로피 최대화다. 엔트로피는 일반적으로 장애와 연관되어 있지만 적절한 조건에서 엔트로피는 나노 크기의 물체를 제어 가능한 방식으로 표적 구조로 자체 조립하도록 유도할 수 있다.[7]

자기조립의 또 다른 중요한 종류는 현장주도 조립이다. 그 예로는 정전기 트랩 현상이 있다. 이 경우 두 금속 나노 전극 사이에 전기장이 적용된다. 환경에 존재하는 입자들은 적용된 전기장에 의해 양극화된다. 전기장 구배와의 쌍극자 상호작용 때문에 입자는 전극 사이의 틈새로 유인된다.[8] 다양한 유형의 장(예: 자기장 사용, 인터페이스에 갇힌 입자에 모세관 상호작용, 액체 결정에서 매달린 입자에 대한 탄성 상호작용)을 포함하는 이러한 유형의 접근방식의 일반화도 보고되었다.

자가 조립을 추진하는 메커니즘과 상관없이, 사람들은 한 번에 하나의 빌딩 블록으로 자재를 구성해야 하는 문제를 피하기 위해 재료 합성에 대한 자기 조립 접근 방식을 취한다. 건물 블록을 대상 구조물에 배치하는 데 소요되는 시간은 거시적인 크기를 가진 구조물의 경우 엄청나게 어렵기 때문에 일회성 접근을 피하는 것이 중요하다.

일단 거시적인 크기의 재료들이 자체 조립될 수 있다면, 그러한 재료들은 많은 응용 분야에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 나노진공 간격과 같은 나노 구조물은 에너지를[9] 저장하고 핵에너지 변환을 하는데 사용된다.[10] 자체 조립된 튜닝 재료배터리와 유기 광전지의 대형 표면전극과 미세유체 센서 및 필터에 대한 유망한 후보물질이다.[11]

특색 있는 기능

이 시점에서, 어떤 화학반응이 원자와 분자를 강수량과 같은 더 큰 구조로 조립하도록 유도하는 것은 자가 조립의 범주에 속할 수 있다고 주장할 수 있다. 그러나 자기조립을 구별되는 개념으로 만드는 특색 있는 특징이 적어도 세 가지 있다.

주문

첫째, 자체 조립 구조는 형상 또는 자체 조립된 실체가 수행할 수 있는 특정 작업 등, 격리된 구성요소보다 높은 순서를 가져야 한다. 이는 일반적으로 화학 반응에서는 사실이 아니며, 열역학 매개변수에 따라 순서가 지정된 상태가 질서 없는 상태로 진행될 수 있다.

상호작용

자가조립의 두 번째 중요한 측면은 보다 "전통적" 공밸런트, 이온성 또는 금속성 결합에 비해 약한 상호작용의 지배적 역할(예: Van der Waals, 모세관, - - 수소 결합 또는 내향성 힘)이다. 이러한 약한 상호작용은 두 가지 이유로 물질 합성에 중요하다.

첫째, 약한 상호작용은 물질, 특히 생물학적 시스템에서 두드러지게 나타난다. 예를 들어, 그들은 액체의 물리적 특성, 고체의 용해성, 생물학적 막의 분자 구성을 결정한다.[12]

둘째, 교호작용의 강도에 더하여, 다양한 수준의 특수성을 가진 교호작용이 자가조립을 통제할 수 있다. DNA 짝짓기 상호작용에 의해 매개되는 자가조립은 자가조립을 추진하기 위해 사용된 가장 높은 특수성의 상호작용을 구성한다.[13] 다른 극단에서, 최소의 특정한 상호작용은 엔트로피 최대화에서 발생하는 비상력에 의해 제공되는 것일 수 있다.[14]

집짓기 블록

자가조립의 세 번째 특징은 건물블록이 원자와 분자일 뿐만 아니라, 광범위한 나노·중시경 구조물에 걸쳐 있으며, 화학적 구성, 기능성,[15] 형태가 다르다는 점이다.[16] 자가조립 마이크로라이트 3차원 형상에 대한 연구는 플라토닉 고형분(정규 다면체)을 조사한다. '미크라이트'라는 용어는 DARPA가 밀리미터 이하의 마이크로로봇을 지칭하기 위해 만든 것으로, 이 마이크로로봇의 자기 조직 능력을 슬라임 몰드와 비교할 수 있다.[17][18] 최근의 새로운 빌딩 블록의 예로는 다면체패치 입자가 있다.[19] 그 예에는 또한 멀티머뿐만 아니라 반구형,[20] 조광기,[21] 디스크,[22] 로드, 분자와 같은 복잡한 기하학적 구조를 가진 마이크로파티클도 포함되었다. 이러한 나노 크기의 빌딩 블록은 전통적인 화학 경로나 방향의 내향성 힘과 같은 다른 자가 조립 전략을 통해 차례로 합성될 수 있다. 보다 최근에는, 목표 자체 조립된 행동을 수정하고, 그러한 행동을 실현할 적절한 빌딩 블록을 결정할 수 있는 역설계 접근법이 등장하고 있다.[24]

열역학 및 운동학

미세한 시스템에서 자가조립은 보통 확산에서 시작되며, 그 뒤에 씨앗의 핵화, 그 뒤에 씨앗의 성장, 그리고 오스왈드 숙성에서 끝난다. 열역학적 구동 자유 에너지는 엔탈피크(inthalpic)[25] 또는 엔탈피(intevency) 또는 엔탈피(inte 엔탈피크(inthalpic) 또는 엔탈피(intalpic) 또는 엔탈피(intalpic)의 경우, 자기집합은 결합의 형성과 파기를 통해 진행되며,[26] 아마도 비전통적인 형태의 중재를 수반할 수 있다. 자가 조립 공정의 동역학은 대개 확산과 관련이 있는데, 흡수/흡수 속도는 종종 확산 제어 농도(상대적으로 희석된 용액)에서 Fick의 확산 법칙에 의해 추정될 수 있는 Langmuir 흡착 모델을 따른다. 탈착률은 열활성화 에너지 장벽이 있는 표면 분자/atom의 결합 강도에 의해 결정된다. 성장률은 이 두 과정 사이의 경쟁이다.

재료과학에서 자기조립의 중요한 예로는 분자결정, 콜로이드, 지질빌라이어, 위상분리 고분자, 자기조립단일체의 형성이 있다.[27][28] 폴리펩타이드 사슬을 단백질로 접는 것과 핵산을 기능적 형태로 접는 것은 자가조립 생물학적 구조의 예다. 최근에는 극저온화 하의 디페닐알라닌 유도체의 자가조립을 통해 3차원 마크로포틱 구조가 마련되었으며, 획득한 물질은 재생의학이나 약물전달체계 분야에서 응용을 찾을 수 있다.[29] P. Chen 외.는 패러데이 웨이브가 설정한 공기-액체 인터페이스를 템플릿으로 사용하여 마이크로 스케일 자가 조립 방법을 시연했다. 이 자가 조립 방법은 하이드로겔, 셀, 세포 스페로이드와 같은 미세한 크기의 물질로부터 대칭적이고 주기적인 패턴의 다양한 세트의 생성을 위해 사용될 수 있다.[30] 야스가 외 연구진은 유체 계면 에너지가 마이크로필라(microillar) 비계에서 3차원 주기 구조물의 출현을 어떻게 유도하는지를 시연했다.[31] 몰리메키 외 연구진은 섬유와 구에 대한 형태론적 변화를 겪는 미켈의 형성을 입증했는데, 모두 용매 변화에 의해 제어된다.[32]

특성.

자가조립은 질서와 기능성을 지닌 제품을 합성하는 것을 목표로 하는 화학적 범위를 확장하고, 화학적 결합을 약한 상호작용까지 확장하며, 나노스케일 빌딩 블록의 자체조립을 모든 길이 단위로 포괄한다.[33] 공동 합성 및 중합에서, 과학자는 원자를 원하는 순응으로 연결하는데, 이것은 반드시 정력적으로 가장 선호하는 위치일 필요는 없다. 반면에, 자가 조립 분자는 열역학적 최소의 구조를 채택하여 서브유닛 사이의 상호작용의 최상의 조합을 찾지만 그렇지 않다. 그들 사이에 공밸런스 결합을 형성하고 있어 자가 조립 구조에서, 과학자는 원자를 원하는 위치에 놓기만 하는 것이 아니라, 이 최소치를 예측해야 한다.

거의 모든 자체 조립 시스템에 공통적인 또 다른 특징은 열역학적 안정성이다. 외부 힘의 개입 없이 자체 조립이 이루어지기 위해서는 공정이 낮은 Gibbs 자유 에너지로 이어져야 하므로 자체 조립된 구조물은 단일 미 조립 부품보다 열역학적으로 더 안정적이다. 직접적인 결과는 자체 조립된 구조물의 일반적인 경향이다. 용제가 적절한 조건에서 천천히 증발할 수 있도록 하는 미세스페어를 함유한 용액에서 시작하여 마이크로메트리 크기의 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 구를 질서 있게 배열한 2차원 초유동체의 형성이 그 예다. 이 경우 추진력은 모세관 상호작용인데, 부유입자나 수몰입자의 존재로 인한 액체 표면의 변형에서 비롯된다.[34]

이 두 가지 특성(약한 상호작용과 열역학적 안정성)은 자체 조립 시스템에서 흔히 발견되는 또 다른 특성(외부 환경에 의해 작용하는 섭동에 대한 민감도)을 합리화하기 위해 회수할 수 있다. 이는 열역학적 변수를 변경하여 구조물에 현저한 변화를 초래할 수 있고 심지어 자체 조립 중이나 이후에 이를 손상시킬 수도 있는 작은 변동이다. 상호작용의 취약한 성질은 구조의 유연성을 책임지고 열역학으로 결정된 방향으로 구조물의 재배열을 허용한다. 변동으로 열역학적 변수가 다시 시작 조건으로 돌아오면 구조는 초기 구성으로 돌아갈 가능성이 높다. 이를 통해 우리는 다른 기법으로 합성된 물질에서 일반적으로 관찰되지 않는 자기 조립의 한 가지 특성인 가역성을 더 식별하게 된다.

자가조립은 외부 매개변수에 의해 쉽게 영향을 받는 과정이다. 이 특성은 많은 자유 매개변수를 제어해야 하기 때문에 합성을 다소 복잡하게 만들 수 있다. 그러나 자가 조립은 많은 길이의 척도에서 다양한 모양과 기능을 얻을 수 있다는 장점이 있다.[35]

나노스케일 빌딩 블록이 스스로 질서 있는 구조로 조립되기 위해 필요한 근본적인 조건은 장거리 반발력과 단거리 매력력의 동시 존재다.[36]

적절한 이화학적 성질을 가진 전구체를 선택함으로써 복잡한 구조를 생성하는 형성 과정에 미세한 제어가 가능하다. 분명히, 재료의 합성 전략을 설계할 때 가장 중요한 도구는 건물 유닛의 화학에 대한 지식이다. 예를 들어, 마그헤마이트 나노입자를 선택적으로 내장하고 도파관으로서 잠재적으로 사용할 수 있는 주기적인 물질을 생성하기 위해 블록 반응도가 다른 디블록 복합체를 사용하는 것이 가능하다는 것이 입증되었다.[37]

2008년에는 모든 자체 조립 과정이 공동 조립체를 제시하도록 제안되었고, 이것은 전자를 잘못된 명칭으로 만든다. 본 논문은 자체 조립 시스템과 그 환경의 상호 순서 개념에 기초하여 작성되었다.[38]

거시적 척도로 자체 조립

거시적 척도에서 자가 조립의 가장 일반적인 예는 분자가 수직 방향으로 나노스케일에 갇혀 횡방향으로 먼 거리에 퍼질 수 있는 기체와 액체 사이의 인터페이스에서 볼 수 있다. 기체-액체 인터페이스에서 자가 조립의 예로는 호흡 형상, 자가 조립된 모놀레이어, 랑무어-블로드겟 필름 등이 있으며, 풀렌 수염의 결정화는 두 액체 사이에서 거시적인 자가 조립의 예다.[39][40] 거시적 자가조립의 또 다른 주목할 만한 예는 공기-액체 인터페이스에서 얇은 퀘이시크리스탈의 형성이며, 이는 무기체뿐만 아니라 유기 분자 단위로도 형성될 수 있다.[41][42]

자가 조립 프로세스는 거시적인 빌딩 블록 시스템에서도 관찰할 수 있다. 이 빌딩 블록들은 외부적으로[43] 추진되거나 자체 추진될 수 있다.[44] 1950년대 이후 과학자들은 수동형 기계 부품에서 이동식 로봇에 이르기까지 센티미터 크기의 부품을 전시하는 자체 조립 시스템을 구축해 왔다.[45] 이 규모의 시스템에 대해서는 요소 설계를 정밀하게 제어할 수 있다. 일부 시스템의 경우 구성요소의 상호작용 선호도는 프로그램할 수 있다. 자가 조립 프로세스는 구성 요소 자체 또는 외부 관찰자가 쉽게 모니터링하고 분석할 수 있다.[46]

2014년 4월 3D 프린팅 플라스틱을 물에 직접 조립하는 '스마트 소재'와 결합해 '[47]4D 프린팅'[48]이 탄생했다.

자가 조직 및 자가 조립의 일관된 개념

사람들은 정기적으로 "자기 조직"과 "자기 조립"이라는 용어를 서로 바꾸어 사용한다. 그러나 복잡한 시스템 과학이 더욱 대중화됨에 따라, 물리적 시스템과 생물학적 시스템에서 그 중요성을 이해하기 위해 두 메커니즘 사이의 차이를 명확하게 구별할 필요가 더 높다. 두 과정 모두 집합적 질서가 "동적 소규모 상호작용"에서 어떻게 발전하는지를 설명한다.[49] 자기조직은 자기집합이 평형을 향해 가는 자발적인 과정인 비균형 과정이다. 자가 조립은 프로세스 전체에 걸쳐 구성요소가 본질적으로 변경되지 않도록 요구한다. 둘의 열역학적 차이 외에도 형성의 차이도 있다. 첫 번째 차이점은 자기 조합에서 "전체 전체의 글로벌 질서를 암호화"하는 반면, 자기 조직에서는 이 초기 인코딩이 필요하지 않다. 또 다른 약간의 대비는 주문에 필요한 최소 단위를 의미한다. 자가조직은 최소 단위 수를 갖는 반면 자가조립은 그렇지 않은 것으로 보인다. 그 개념은 자연 선택과 관련하여 특정한 응용을 할 수 있다.[50] 결국, 이러한 패턴들은 자연에서 패턴 형성의 하나의 이론을 형성할 수도 있다.[51]

참고 항목

참조

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