Alongside with its biological importance, DNA has been used as one of the most versatile engineering materials in nanotechnology. Because of its sequence programmability based on the Watson-Crick base pairing, the self-assembly of complementary DNA strands can generate a variety of nanostructures and assemblies of other materials with nanometer precision. Zeolite L is known for its characteristic one dimensional channel system which can accommodate organic dye molecules. So far, many attempts were existed to organize zeolite L crystals to fabricate artificial antenna system. However, the precise control of the connectivity between the crystals is one of the remaining great challenges in the nanotechnology. In this work, we for the first time employed DNA self-assembly strategy to control the organization of micro- and nano-sized zeolite L crystals.
Firstly, the zeolite L crystals with desired size and shape were synthesized. In order to exploit the properties of DNA, the surface of zeolite L crystals was functionalized to single stranded DNAs. It was achieved by functionalization of the crystal surface with isocyanate groups and sequential reaction with amine labelled single stranded DNAs. Micro-sized DNA functionalized zeolite L crystals were connected with each other via linker single stranded DNAs. The hybridization of the surface DNA strands and linker DNA strands could make the connection between the crystals. In the case of Nano-sized DNA functionalized zeolite L crystals, rectangular DNA origami structures having complementary strands were used to organize the crystals. The organizations were investigated with SEM and AFM analysis. The obtained results showed possibilities to make use DNA nanotechnology to direct the assemblies of zeolite L crystals, although there is still much room for further improvement. We expect that this strategy can be expanded to organize other inorganic nanomaterials at nanometer precision for various applications.
DNA는 뉴클레오티드라고 불리는 수많은 단위체들로 이루어져있고, 뉴클레오티드의 염기들은 수소결합을 통해 왓슨-크릭 염기쌍이라는 선택적이고 안정한 결합을 형성한다. 이러한 선택적인 자가조립 성질을 이용하여, DNA는 나노 기술 분야에서 물질들을 배열하고 다양한 나노구조를 정밀하게 만드는 데에 이용되고 있다. 제올라이트 L은 골격구조에 특징적인 1차원 채널 시스템을 가진다. 이러한 1차원 채널에 유기염료분자를 넣고 제올라이트 결정들을 배열시켜 인공적인 안테나 시스템을 만드는 연구가 활발히 진행되고 있다. 지금까지 제올라이트 L 결정들의 배열을 위한 다양한 전략들이 제시되었지만 결정들 간의 연결을 정교하고 세밀하게 조절하는 것은 아직도 발전시켜나가야 할 커다란 숙제로 남아 있다.
이 논문에서는 DNA 염기서열의 설계가능성과 염기쌍의 높은 선택성을 이용하여 제올라이트 L 결정들을 배열시키는 것을 시도해보았다. 이를 위해 우선적으로 서로 다른 겔 조성에서 나노 사이즈와 마이크로 사이즈 제올라이트 L 결정을 합성하였다. 합성된 제올라이트 L 결정의 표면은 이소시아네이트기로 기능화 (functionalize)하였고, 아민 작용기를 가지는 외가닥 DNA와의 추가적인 반응을 통해 DNA를 제올라이트 표면에 기능화시킬 수 있었다. 이렇게 표면에 외가닥 DNA가 존재하는 나노 사이즈 제올라이트 L은 그 크기를 고려하여 대응가닥을 가지는 DNA 오리가미와, 그리고 마이크로 사이즈 제올라이트 L은 대응가닥을 표면에 가지는 제올라이트 L 결정과의 자가조립을 통한 배열에 이용되었다. 그 결과, 표면에 존재하는 외가닥 DNA의 자가조립에 의해 제올라이트 L 결정들의 배열을 유도할 수 있었지만 여러 한계점 또한 드러났다. 이러한 한계점들을 극복하기 위해 제올라이트 표면에 선택적으로 DNA를 붙여 규칙적인 배열을 유도하는 방법이나 나노 사이즈 제올라이트 결정들의 표면을 안정화시키는 방법 등으로 제올라이트 L의 배열을 더욱 발전시켜나가는 연구가 진행될 수 있을 것이다.
