KR101802687B1 - 제어가능한 및 가역적 ｐｈ-감응성 롤링가능한 ２ｄ 나노 구조 - Google Patents

Abstract

주위의 pH 값에 감응하여 폴딩가능한 2차원 나노-시트는, 2차원 형태를 갖는 폴리에틸렌이민 (PEI) 사슬; 및 PEI 사슬 상에 침투성 금 필름을 형성하는, PEI 사슬에 부착된, 금으로 이루어진 복수의 도메인을 포함한다.
[도 6a 내지 6d]

Description

제어가능한 및 가역적 ＰＨ-감응성 롤링가능한 ２Ｄ 나노 구조 {CONTROLLABLE AND REVERSIBLE PH-RESPONSIVE ROLLABLE 2D NANO STRUCTURES}

본 발명은, pH-감응성 롤링가능한 2차원 나노구조의 디자인 및 어셈블리에 관한 것이다. 본 출원은 2014년 2월 20일 출원된 미국 가출원 번호 61/942,274의 전문을 본원에 참조로 도입한다.

자연에는, 로터스 (연꽃(Nelumbo nucifera)) 잎의 자가-세정 효과, 나비 날개 및 공작 깃털의 색, 도마뱀 발의 접착 특성, 벼 잎의 비등방성 습윤화 기능, 일부 곤충 날개 및 눈의 반사방지성 등과 같은, 생명 시스템의 특성이 그들의 정교한 다중스케일 (계층적 매크로/마이크로/나노) 구조와 어떻게 상관되는지에 대한 예가 풍부하게 존재한다. 이러한 생명 시스템에서 영감을 얻어, 매우 많은 연구가 수행되어 왔고, 이로부터 실세계의 기술, 예를 들어 자가 세정 특성을 갖는 코팅, 광 도파로 및 빔 스플리터 등으로서 작용할 수 있는 광자 구조 등이 나타났다. 생체-모방형 스마트 물질 및 이들의 응용에 대한 포괄적 고찰은, 예를 들어 하기에 나열된 NPL (비-특허 문헌) 번호 8 내지 12에서 찾아볼 수 있다.

보다 흥미롭게는, 자연에는, 물질 감응성 특성 및 외부 자극에 효율적으로 감응하는 다중스케일 구조 사이의 관계를 사용하는 생물들의 예가 풍부하다. 생물의 다중스케일 MS 시스템 (구조화된 뼈로 이루어진 골격, 근육, 힘줄, 인대 등으로 구성됨)은, 신체에 형상, 지지체, 유연성, 안정성 및 운동을 제공하며, 이는 큰 하중을 들어올리는 것을 가능하게 한다 (NPL 번호 13 내지 16). 이러한 생물에서의 다중스케일 구조-특성 관계의 의의는, 이들의 자극에 대한 감응이 상당히 현저하다는 것이지만, 이러한 관계는 잘 이해되지 않는다 (NPL 번호 8 내지 11).

보다 구체적 맥락에서는, 금속-중합체 나노복합재가, 가공 용이성, 대규모 제조에 대한 가능성, 및 순수 금속에 비해 상당히 낮은 밀도와 같은 다양한 이유로 특히 중요하다 (NPL 번호 33 내지 38). 또한, 이들은, 이들의 기하구조 및 조성을 변경함으로써 실현될 수 있는 조율가능한 광학 및 기계적 특성을 나타낸다 (NPL 번호 34 내지 38). 특히, 크기 및 형상 의존적 표면 플라즈몬 공명 (SPR)을 갖는 Au-PEI 나노복합재가, 바이오센싱 (NPL 번호 39)으로부터 유전자 발현 (NPL 번호 40)까지 이르는 범위의 다양한 응용에 대해 광범위하게 조사되었다 (NPL 번호 39 내지 42). 예를 들어, 광학 프로브로서 Au-PEI 나노입자 (NP)를 사용하는 헤파린의 정량적 검출을 위한 비색 분석 방법이 연구되었다 (NPL 번호 39). 검출 원리는, Au-PEI NP의 응집 및 그에 따른 UV-Vis 흡수 신호에서의 적색-이동을 일으키는 용액 중에서의 양으로 대전된 Au-PEI NP 및 음으로 대전된 헤파린 사이의 단순한 정전기 상호작용에 기초한다. Au-PEI NP는 또한, 세포내 siRNA 전달에 대한 잠재적 비-바이러스성 유전자 캐리어로서 사용되었다 (NPL 번호 40). PEI 고분자전해질(polyelectrolyte)은 콜로이드 안정성 Au-PEI NP의 형성에 대한 환원제 및 안정화제 둘 다로서 작용하며, 이는 임의의 유의한 세포독성을 나타내지 않으면서 정전기적으로 siRNA에 결합한다 (NPL 번호 41). 최근에는, PEI-안정화된 AuNP에 의해 자가-어셈블리되는 2D 나노복합재가 다기능 광학 장치의 개발을 위한 나노제작 분야에서 증가된 관심을 받고 있다 (NPL 번호 42). Au-PEI NP가 플라즈몬 증강 및 표면-증강 라만 산란 (SERS)을 위해 용매/물 계면 (예를 들어, 톨루엔/물)에서 높은 표면적-대-부피 비율을 갖는 2D 필름으로 어셈블리되었다 (NPL 번호 42).

인용문헌 목록

비-특허 문헌

발명의 요약

기술 과제

그러나, 2D 플라즈몬성 물질의 자립형(free standing) 또는 안정한 분산액의 어셈블리는 어려운 과제로 남아있다. 또한, 박형 2D Au-PEI 나노시트 (NS)를 제조하기 위한 안정적이고 신뢰성 있는 합성 방법은 이용가능하지 않다. 또한, 우수한 특성을 갖는 초박형 2D Au-PEI는 아직 이용가능하지 않다. Au-PEI의 상세한 특징 및 그의 메커니즘은 아직 완전히 이해되지 않았고, 따라서 일부 가능한 응용을 막고 있다.

따라서, 본 발명은 2차원 나노구조, 또한 보다 특별하게는 초박형 2D Au-PEI 나노시트 (NS) 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 pH-감응성 롤링가능한 2차원 나노구조의 디자인 및 어셈블리를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 초박형 2D Au-PEI 나노시트 (NS) 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.

이들 및 다른 이점을 달성하기 위해, 또한 본 발명의 목적에 따라, 구현되고 광범위하게 기재되는 바와 같이, 하나의 측면에서, 본 발명은, 기판 상에 폴리에틸렌이민 (PEI) 매트릭스를 형성하고; PEI 매트릭스 상에 침투성(percolating) 금 필름이 형성될 때까지 PEI 매트릭스 상에 금을 증착시키고; 침투성 금 필름을 갖는 PEI 매트릭스를 용액 내에 침지시켜, 금을 갖는 PEI 매트릭스를, 기판으로부터 분리된 복수의 2차원 시트로 박리시키는 것을 포함하며, 여기서 생성된 시트는 그 주위의 pH 값에 감응하여 폴딩가능한 것인, pH 감응성 2차원 나노-시트의 제조 방법을 제공한다.

방법은 복수의 시트를 정제하고 탈이온수 중에 재-현탁시키는 것을 추가로 포함할 수 있다. 용액은 메탄올 용액일 수 있다. 침지 단계는, 침투성 금 필름을 갖는 PEI 매트릭스에 초음파처리를 적용하여 복수의 2차원 시트로 박리시키는 것을 포함할 수 있다. 기판은 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 또한, PEI 매트릭스 상에 금을 증착시키는 단계는, 기판 상의 PEI 매트릭스 상에 침투성 금 필름이 형성될 때까지 금을 스퍼터링하는 것을 포함할 수 있다.

또 다른 측면에서, 본 발명은, 2차원 형태를 갖는 폴리에틸렌이민 (PEI) 사슬; 및 PEI 사슬 상에 침투성 금 필름을 형성하는, PEI 사슬에 부착된, 금으로 이루어진 복수의 도메인을 포함하며, 여기서 나노-시트는 주위의 pH 값에 감응하여 폴딩가능한 것인, 주위의 pH 값에 감응하여 폴딩가능한 2차원 나노-시트를 제공한다. 여기서, 2차원 나노-시트는 플라즈몬성일 수 있다.

본 발명의 하나 이상의 측면에 따르면, 주위의 pH에 감응하고 그에 따라 폴딩가능한 나노-스케일 시트를 제공하는 것이 가능하게 된다. 본 발명의 실시양태는, 인공 근육, 관련 기술분야에서 잘 인식되는 바와 같은 약물 전달 시스템 (위장관은 2 내지 10 범위의 pH를 가짐) (NPL 번호 32), 자가-회복 코팅, 및 분자 튜브 등의 용도를 가질 수 있다. 이들 NS를 제조하는 데 사용되는 개시된 혁신적 방법은 신뢰성 있고 상이한 금속 및 스마트 중합체와 상용가능하다. 명백한 산업적 용도 이외에도, 본원에서 달성된 기초적 이해 및 개발된 모델은 나노시트의 특성을 개선시키는 것을 도울 뿐만 아니라 다양한 다른 용도를 갖는다.

본 발명의 추가적 또는 별도의 특징 및 이점을 하기 설명에서 기재할 것이며, 이는 부분적으로 설명으로부터 명백할 것이거나, 또는 본 발명의 실행에 의해 습득될 수 있다. 본 발명의 목적 및 다른 이점은 기재된 설명 및 그의 청구범위 뿐만 아니라 첨부된 도면에서 특별하게 기재된 구조에 의해 실현되고 달성될 것이다.

상기 일반적 설명 및 하기 상세한 설명은 둘 다 예시적이고 설명적인 것이며, 청구된 본 발명의 추가의 설명을 제공하도록 의도됨을 이해하여야 한다.

[도 1] 도 1은 본 발명의 실시양태에 따른 NS의 제조 방법의 개략도를 나타낸다. 도 1의 (a)에 나타난 바와 같이, bPEI 매트릭스를 실리콘 웨이퍼 상에 스핀-코팅하였다. 도 1의 (b)는, 도 1의 (a)의 단계 후에, 침투성 Au 박막이 얻어질 때까지 Au를 중합체-코팅된 Si 상에 스퍼터링하여, Au 골격을 형성한 것을 개략적으로 나타낸다. 도 1의 (c)는, 도 1의 (b)에서 얻어진 샘플을 메탄올 중에 침지시키고, 초음파처리에 의해 박리시킨 것을 개략적으로 나타낸다. 도 1의 (d)는, 도 1의 (c)에 나타낸 단계 후, NS의 정제 및 탈이온수 중에서의 재-현탁을 나타낸다.
[도 2a 및 2b] 도 2는, Au 필름 성장에 대한 증착 시간의 효과를 나타낸다. 도 2a는 15초 후 나노-섬(island)의 핵형성을 보여주는 PEI 상의 증착 상태의 Au 필름의 TEM 이미지를 나타낸다. 도 2b는 나노-섬의 성장을 보여주는, 30초에서의 동일한 TEM 이미지이다.
[도 2c 및 2d] 도 2c는, 불규칙 형상의 세장형(elongated) 나노도메인의 성장을 보여주는, 45초에서의 동일한 TEM 이미지를 나타낸다. 도 2d는, 4 W에서 60s에서의 침투성 Au 필름을 보여주는, 60초에서의 동일한 TEM 사진을 나타낸다. 도 2a 내지 2d에서, 스케일 바는 20 nm이다.
[도 3] 도 3은, 본 발명의 실시양태에 따른 NS의 다양한 특징 규명을 나타낸다. 도 3a는 박리된 불규칙 형상의 큰 NS의 TEM 이미지이다. 도 3b는 박리된 불규칙 형상의 작은 NS의 TEM 이미지이다. 크기는 음파처리 (전력 및 시간)에 의해 조율될 수 있다. 도 3c는, Si 기판 상의 본 발명의 실시양태에 따른 NS의 탭핑(tapping) 모드 AFM 토포그래피 이미지를 나타낸다. 도 3d는, 도 3c에 나타낸 NS에 대한 약 8 nm의 두께를 보여주는 단면 높이 프로파일이다. 도 3e는, 폴딩된 침전된 본 발명의 실시양태에 따른 NS의 탭핑 모드 AFM 토포그래피 이미지를 나타낸다. 도 3f는 도 3e에 나타낸 NS의 단면 높이 프로파일이며, 이는 폴딩된 영역이 언폴딩된 영역의 두께의 2배임을 명백히 보여준다.
[도 4] 도 4는 본 발명의 실시양태에 따른 NS의 두께의 히스토그램을 나타낸다. 평균 두께는 5.9 +- 0.7 nm인 것으로 측정되었다.
[도 5a] 도 5는 폴딩 NMS의 나노기계적 맵핑을 나타낸다. 도 5a는 폴딩된 본 발명의 실시양태에 따른 NS의 피크 힘 탭핑 모드 토포그래피이다.
[도 5b] 도 5b는, 도 5a에서의 실선으로 나타낸 구획을 따라 절단한, 도 5a에 나타낸 폴딩된 NMS의 관련 단면 높이 프로파일이다.
[도 5c] 도 5c는, 도 5a에 나타낸 폴딩된 NMS의 나노기계적 맵핑을 나타내고, 이는 NMS의 양쪽 표면이 중합체 코팅된 것을 입증한다. 데르자귄-뮬러-토포로브(Derjaguin-Muller-Toporov; DMT) 모듈러스 맵은, Au 도메인이 주위의 중합체와 구별될 수 없고, 박리된 NMS의 모듈러스 (E)는 표면을 가로질러 균일하였음을 보여준다.
[도 5d] 도 5d는, 도 5c에서 정사각형으로 나타낸 관심 영역 내의 DMT 모듈러스의 분포를 나타낸다.
[도 6a 내지 6d] 도 6은, 다양한 pH 조건 하에서의 본 발명의 실시양태에 따른 NS에 대한 효과를 나타낸다. 도 6a 내지 6d는 pH 10에서의 완전히 롤링된 NS를 나타낸다.
[도 6e 내지 6h] 도 6e 내지 6h는 pH 5에서의 부분적으로 언롤링된 NS를 나타낸다.
[도 6i 내지 6l] 도 6i 내지 6l은, pH 3에서의 언롤링된 편평한 NS를 나타낸다. 6a, 6e, 및 6i는, 각각, 롤링된 NS, 부분적으로 언롤링된 NS, 및 언롤링된 NS를 보여주는 탐사 TEM 이미지이다. 스크롤은 단편화 없이 선형이다. 6b, 6f, 및 6j는, 각각 상세 TEM 이미지이고, 이는 각각 제어된, 롤링된 NS (6b), 부분적으로 언롤링된 NS (6f), 및 언롤링된 NS (6j)를 보여준다. 6c, 6g 및 6k는 각각 AFM 토포그래피 이미지를 나타낸다. 6d, 6h 및 6l은, 각각, 6c, 6g 및 6k에 나타낸 실선을 따라 절단된, 각각, 6c, 6g 및 6k의 관련 단면 높이 프로파일이다. AFM 데이터는 TEM 데이터와 일치한다. 또한, 도 6d, 6h, 및 6l에 나타낸 층 두께는 도 1의 예비-롤링된 NS와 일치한다.
[도 7a] 도 7은, 본 발명의 실시양태에 따른 NS 구조의 동력학에 대한 모델을 개략적으로 나타낸다. 도 7a는, (40)으로 나타낸 침투성 상 중의 나노도메인을 연결하는 중합체 사슬 (인대), 및 (42)로 나타낸 금 나노도메인 (44) 상에 흡착된 중합체 사슬 (협동근 및 고정근)이 다중스케일 NS를 구성하는 것을 보여주는 NS 구조를 개략적으로 나타낸다.
[도 7b] 도 7b는, 각각의 나노도메인 상에 작용하는 힘이, NS를 제한 (서로 상쇄)하고 응집에 대해 안정화시키는 도메인내 힘 Fintra, 및 도 7b에 도시된 구조에 대하여 나노도메인을 함께 끌어당기는 작용을 하는 도메인간 힘 Finter를 포함함을 보여준다.
[도 7c] 도 7c는, pH 감응성 중합체와 침투성 나노도메인 사이의 커플링에 기인하여 발생하는 굽힘 모멘트 (M)를 나타낸다.
[도 7d] 도 7d는, 변형 이완으로 인해 추진되는 굽힘 모멘트 (M)의 결과로서 NS 롤이 형성됨을 보여준다.
[도 8a] 도 8은, 침투 임계치 훨씬 미만에서의 Au 응집의 TEM 이미지를 나타낸다. 도 8a는 침투 임계치 미만에서 제조된 증착 상태의 Au 박막을 나타낸다.
[도 8b] 도 8b는 생성된 박리 및 응집된 구조를 나타낸다.
[도 9a 및 9b] 도 9는, 상이한 분자량 (Mw)의 본 발명의 실시양태에 따른 중합체를 갖는 NS의 광학 특성 및 제타-전위를 나타낸다. 도 9a는, pH 10에서 750 kDa의 Ms를 갖는 NS의 탐사 TEM 이미지를 나타낸다. 도 9b는, 롤링된 NS의 상세 TEM 이미지를 나타낸다. 롤의 직경은 Mw 증가에 따라 증가하고, 이들은 벽의 중량으로 인해 이완된 후-침전을 보인다.
[도 9c 및 9d] 도 9c는 NS의 AFM 피크 힘 탭핑 모드 토포그래피이다. 도 9d는, 도 9c의 토포그래피에서 실선으로 나타낸 구획의 관련 단면 높이 프로파일이고, 이는 스크롤의 높이가 턴(turn) 수에 비례함을 보여준다.
[도 9e 및 9f] 도 9e는, 각각, pH 3, 5, 7, 및 10에서의 다중스케일 NS (25 kDa)의 흡광도 스펙트럼을 나타내고, 이는 pH 3에서의 장파장에서의 편평한 숄더(shoulder) (편평한 NS)로부터 pH 10에서의 1D 금속 구조의 Au 플라즈몬 공명과 일치하는 피크 (나노스크롤형 NS)로의 전이를 보여준다. NS 분산액을 나타내는 삽입 사진은 좌측으로부터 우측으로 갈수록 감소하는 pH 값에 대한 것이다. 도 9f는 NS에 대한 양의 제타-전위를 나타내고, 이는 3 내지 10 범위의 pH에 상응하는 모든 양성자화 상태에서 NS의 안정성을 나타낸다.
[도 10] 도 10은 본 발명의 실시양태에 따른 나노시트 (NS)의 제조 방법을 나타낸다. Au를 PEI 템플레이트 상에 증착시킨 후 액체 박리시킨다. 도 10a는 60초 동안 PEI 템플레이트 상에 증착된 Au의 TEM 현미경사진을 나타낸다 (Au-PEI NS I). 도 10b는 120초 동안 PEI 템플레이트 상에 증착된 Au의 TEM 현미경사진을 나타낸다 (Au-PEI NS II). 2개의 도 모두에서, 단절 및 연결된 Au 미로형 도메인이 나타난다. 도 10c는, 각각의 Au-PEI 나노복합재를 30 W에서 30 분 동안 메탄올 중에서 초음파처리하고, 이어서 이를, 도 10a의 Au 증착된 PEI 템플레이트에 대해 착색된 콜로이드 현탁액이 나타날 때까지 물 중에 분산시키는 단계를 개략적으로 나타낸다. 도 10d는, 각각의 Au-PEI 나노복합재를 30 W에서 30 분 동안 메탄올 중에서 초음파처리하고, 이어서 이를, 도 10b의 Au 증착된 PEI 템플레이트에 대해 착색된 콜로이드 현탁액이 나타날 때까지 물 중에 분산시키는 단계를 개략적으로 나타낸다. 도 10e는 각각의 NS에 대한 제타 전위 측정을 나타낸다. 제타 전위 측정 결과는 높은 PEI 분자량에서 향상된 안정성을 나타내었다.
[도 11] 도 11은, 다양한 시간 간격에서의 PEI 템플레이트 상에 증착된 금의 TEM 현미경사진을 나타낸다. 스케일 바는 20 nm를 나타낸다. 도 11의 (a)는 15초 동안 PEI 템플레이트 상에 증착된 금을 나타낸다. 도 11의 (b)는 30초 동안 PEI 템플레이트 상에 증착된 금을 나타낸다. 도 11의 (c)는 45초 동안 PEI 템플레이트 상에 증착된 금을 나타낸다. 도 11의 (d)는 메탄올 용액 중에서의 도 11의 (a)에 상응하는 수확된 PEI-Au 나노구조를 나타낸다. 상부 삽입도는 구조의 개략도를 나타낸다. 하부 삽입도는 현미경사진 이미지를 나타낸다. 도 11의 (e)는 메탄올 용액 중에서의 도 11의 (b)에 상응하는 수확된 PEI-Au 나노구조를 나타낸다. 상부 삽입도는 구조의 개략도를 나타낸다. 하부 삽입도는 현미경사진 이미지를 나타낸다. 도 11의 (f)는 메탄올 용액 중에서의 도 11의 (c)에 상응하는 수확된 PEI-Au 나노구조를 나타낸다. 상부 삽입도는 구조의 개략도를 나타낸다. 하부 삽입도는 현미경사진 이미지를 나타낸다.
[도 12a 및 12b] 도 12는 본 발명의 실시양태에 따른 박리된 나노시트의 TEM 이미지를 나타낸다. 도 12a는 단절된 미로형 금 도메인을 갖는 Au-PEI NS I을 나타낸다. 도 12b는 연결된 미로형 금 도메인을 갖는 Au-PEI NS II를 나타낸다.
[도 12c 및 12d] 도 12c는 보다 낮은 음파처리 전력으로 제조된 NS를 나타낸다. 도 12d는 또 다른 보다 낮은 음파처리 전력으로 제조된 NS를 나타낸다. 도 12c 및 12d에 나타난 바와 같이, 보다 큰 측방향 치수는 온화한 음파처리에 의해 얻어질 수 있다.
[도 12e 및 12f] 도 12e는 Au 도메인의 다결정 성질을 보여주는 NS의 HRTE 이미지 (삽입도는 FFT를 나타냄)를 나타낸다. 도 12f는 Au 도메인의 다결정 성질을 보여주는 또 다른 NS의 HRTE 이미지 (삽입도는 FFT를 나타냄)를 나타낸다.
[도 13a 및 13b] 도 13은 박리된 나노시트의 표면 토포그래피 및 나노기계적 특성 맵핑을 나타낸다. 도 13a는 단일 층 및 폴딩된 이중 층을 갖는 Au-PEI NS I 특성화 영역의 AFM 높이 이미지를 나타낸다. 도 13b는 Au-PEI NS II의 AFM 높이 이미지를 나타낸다.
[도 13c 및 13d] 도 13c는 각각의 층의 5 내지 8 nm의 두께를 보여주는 단면 높이 프로파일을 나타낸다. 도 13d는 7 내지 10 nm의 두께를 보여주는 단면 높이 프로파일을 나타낸다.
[도 13e 및 13f] 도 13e는 Au-PEI NS I의 DMT 모듈러스 맵을 나타낸다. 도 13f는 Au-PEI NS II의 DMT 모듈러스 맵을 나타낸다.
[도 13g 및 13h] 도 13g는 도 13e에 대한 상응하는 모듈러스 히스토그램을 나타낸다. 도 13h는 도 13f에 대한 상응하는 모듈러스 히스토그램을 나타낸다.
[도 14] 도 14는, Au 및 C의 분포를 미세구조에 대하여 정량적으로 상관시키는, Au-PEI NS II의 일정 영역 (정사각형으로 표시됨)의 HAADF-STEM 이미지, 및 원소 맵핑을 나타낸다.
[도 15] 도 15는 물 중의 박리된 나노시트 현탁액의 UV-Vis 흡수 스펙트럼이다. Au-PEI NS I는 1000 nm에서 약 0.5 흡수를 갖는 실선 곡선으로 나타내었고, Au-PEI NS II는 1000 nm에서 약 0.7 흡수를 갖는 실선으로 나타내었다. t = 15초에서 제조된 PEI-AuNP는 참조용으로 파선으로 나타내었다.

실시양태의 설명

외부 자극에 대하여 효율적으로 감응하는 자연의 놀라운 능력의 바탕은 무엇인가? 이 질문에 답하기 위해, 본 개시내용은 생명 시스템의 근골격 (MS)을 모방하는 2차원 (2D) 나노구조 (NS)의 효율적인 디자인 및 용이한 합성을 기재한다. 본 발명에 따른 NS는, 근육으로서 작용하는 pH-민감성 분지형 중합체 (NPL 번호 1 내지 7) 사슬 중에 매립된 금속 골격으로 구성된다. 이들 NS는 산성 조건 하에서는 이들의 2D 성질을 지속하기에 충분히 강성이지만, 염기성 조건 하에서는 나노스크롤로의 완전히 가역적이고 제어가능한 형상 변형이 일어나기에 충분히 가요성이다 (롤링은 자발적이 아니고, 모든 양성자화/pH 상태에 대해 안정한 배열이 존재함을 인지할 것). 놀랍게도, 이는 40 초과의 금속 대 이를 보유하는 중합체의 질량비에도 불구하고 일어난다. 본 개시내용은, 이것이 단지 침투성 나노구조화된 박막 형태의 골격에 대해서만 가능하고, 여기서 중합체의 감응성 특성과 NS의 다중스케일 구조 사이의 커플링 효과가 일어난다는 것을 입증하였다. 특히, 물질 감응성 특성과 다중스케일 구조 사이의 커플링 효과는 침투에서 나타난다.

본 개시내용은, 외부 자극에 대한 생물의 MS (근골격)의 감응성 특성을 모방하는 시스템의 최초의 인공적 예인 것으로 여겨지는 것을 기재한다. 본 발명의 하나의 측면에서, 본 발명자들은, 침투 (침투는 연속적 박막이 형성되기 바로 전의 시점임) 박막 형태의 Au 나노도메인으로 이루어진 골격 상에 흡착된 근육으로서 작용하는 분지형 폴리에틸렌이민 (bPEI, Mw=25 kDa) 사슬로 구성된, 크기-조율가능한, 독립형 2D-NS를 디자인하고 합성하였다. 생성된 NS에서는, 40 초과의 Au 대 이를 보유하는 중합체의 질량비에도 불구하고, 주위의 매질의 pH 값 변동에 감응하여 2D-NS로부터 나노스크롤로 제어된 가역적 형상 변형이 일어나는 것으로 나타났다. bPEI는, 이것이 양성자화된 상태 (보다 낮은 pH 값)에서 팽창하고 비-양성자화된 상태 (보다 높은 pH 값)에서 수축하게 되는 스마트 중합체 "양성자 스폰지"이기 때문에 선택된다 (NPL 번호 16 및 17). 상이한 pH 값에 상응하는, 상이한 양성자화 상태에서의 형상 변형은, 투과 전자 현미경법 (TEM), 원자간력 현미경법 (AFM), UV-가시광 분광법, 및 제타-전위 측정에 의해 모니터링된다.

<합성 방법>

본 발명의 실시양태에서, NS를 제조하기 위해, 도 1의 (a) 내지 (d)에 나타낸 바와 같이, 물리적 증착, 화학적 박리, 및 표면 흡착의 방법을 사용하였다. 도 1은 본 발명의 실시양태에 따른 NS의 제조 방법의 개략도를 나타낸다. 도 1의 (a)에 나타난 바와 같이, bPEI 매트릭스를 실리콘 웨이퍼 상에 스핀-코팅하였다. 도 1의 (b)는, 도 1의 (a)에 나타낸 단계 후에, 침투성 Au 박막이 얻어질 때까지 Au를 중합체-코팅된 Si 상에 스퍼터링하여, Au 골격을 형성한 것을 개략적으로 나타낸다. 도 1의 (c)는, 도 1의 (b)에서 얻어진 샘플을 메탄올 중에 침지시키고, 초음파처리에 의해 박리시킨 것을 개략적으로 나타낸다. 도 1의 (d)는, 도 1의 (c)에 나타낸 단계 후의 NS의 정제 및 탈이온수 중에서의 재-현탁을 나타낸다.

침투성 Au 박막이 얻어질 때까지 Au를 bPEI-코팅된 Si 기판 상에 스퍼터링하였다 (도 2a 내지 2d). 도 2는, Au 필름 성장에 대한 증착 시간의 효과를 보여준다. 도 2a는 15초 후 나노-섬의 핵형성을 보여주는, PEI 상의 증착 상태의 Au 필름의 TEM 이미지이다. 도 2b는 나노-섬의 성장을 보여주는, 30초에서의 동일한 TEM 이미지이다. 도 2c는, 불규칙 형상의 세장형 나노도메인의 성장을 보여주는, 45초에서의 동일한 TEM 이미지를 나타낸다. 도 2d는, 4 W에서 60s에서의 침투성 Au 필름을 보여주는, 60초에서의 동일한 TEM 이미지를 나타낸다. 도 2a 내지 2d에서, 스케일 바는 20 nm이다. Au 핵형성 및 침투성 나노도메인으로의 성장은 증착 시간의 함수로서 진척되었고, 이는 기판 표면 상의 Au-박막 형성의 상이한 단계의 특징이다 (NPL 번호 18 및 19). 근육에 상응하는 구조를 합성하기 위해, Au-bPEI 필름을 메탄올 중에 침지시키고, 초음파처리에 의해 박리시키고, 현탁액을 정제하여 결합되지 않은 bPEI 사슬을 제거하였다. 최종적으로, 수집된 NS를 탈이온수 중에 재-현탁시켰다. 단계의 순서가 중요하다. 제1 단계에서는, 복수의 도메인을 연결하는 중합체 사슬 (인대와 유사함) 및 Au 나노도메인의 보다 낮은 표면 상에만 흡착된 중합체 사슬 (협동근)이 형성된다. 박리-후, 용액 중의 결합되지 않은 bPEI 사슬로부터 Au 나노도메인의 상부 표면 상에만 흡착된 중합체 사슬 (고정근)이 형성된다. 흡착되는 인대와 흡착된 인대 사이의 강한 정전기 척력으로 인해 추가의 인대는 형성될 수 없다. bPEI는, 나노구조화된 표면 상에 강하게 흡착되는, 또한 그에 따라 극단적 조건 하에서를 제외하고는 탈착되지 않는 1:2:1 (이론상)의 1급, 2급 및 3급 아민 기를 갖는 양이온성 고분자전해질이다 (NPL 번호 17).

<유리 기판 상의 PEI-금 나노복합재의 제조>

보다 상세하게, 모든 반응을 질소 분위기 하에 수행하였고, 모든 화학물질은 분석용 등급이었으며 추가의 정제 없이 사용하였다. 2" 용융-실리카 웨이퍼 (양쪽 연마됨)를 초음파처리 하에 건조 메탄올 중에서 10 분 동안 철저히 세정하고, N₂ 기체로 건조시켰다. 이어서, 25 마이크로리터의 50% PEI 용액 (PEI-2k (MW 2 kDa), PEI-25k (MW 25 kDa), 또는 PEI-650k (MW 650 kDa), 시그마-알드리치(Sigma-Aldrich, 미국 세인트루이스))을 225 마이크로리터의 메탄올 용액 중에 용해시키고, 세정된 유리 웨이퍼 상으로 온화하게 분배하였다. 30 sec 동안 3,000 rpm으로 스핀-코팅 (MS-A-150 스핀-코터, 미카사(MIKASA, 일본))하여 중합체 박막을 형성하였다. Au를 물리적 증기 증착 (PVD) 기술에 의해 스퍼터링하였다. Au 나노구조를 2" Au 표적 (99.99%) (테드 펠라, 인코포레이티드(Ted Pella, Inc., 미국 캘리포니아주 레딩))을 사용하여 마그네트론 스퍼터링에 의해 증착시켰다. 5개 세트의 Au 나노구조를 4 W의 DC 전력으로 15, 30, 45, 60 및 120 sec의 증착 시간 동안 PEI-코팅된 기판 상에서 성장시켰다. 증착 동안 계내 또는 계외 열 처리는 수행하지 않았다.

<나노시트의 액체 박리>

용융 실리카 샘플 상의 Au-PEI를 메탄올 중에 침적시키고, 초음파 균질화기 (모델 150 V/T, 바이오로직스 인코포레이티드(BioLogics Inc., 미국 버지니아주 마나사스))에 부착된 혼(Hone) T-01 직경-3.9 mm 음파처리 팁으로, 10 W (Au-NS의 나노미터-크기의 단편화에 대해서는 30 W)에서 30 분 동안 20 kHz로 음파처리한 후, 80,000 rpm으로의 원심분리를 사용하여 분리 단계를 수행하여 과량의 PEI 중합체를 폐기하였다. 메탄올 용액의 나머지 부분을 증발시킨 후, 현탁된 PEI-AuNS를, 0.1 마이크로미터 필터를 사용하여 밀리(Milli)-Q 시스템 (니혼 밀리포어 가부시키가이샤(Nihon Millipore K.K., 일본 도쿄))으로부터의 초순수 중에 재-분산시켰다. 1M NaOH 또는 1M HCl을 첨가하고 12 h 동안 가볍게 교반함으로써 양성자화 상태/pH 값을 조정하였다.

<분석-평가>

<AFM 특징 규명 및 나노기계적 맵핑>

멀티모드 8 AFM (브루커(Bruker, 미국 캘리포니아주)) 시스템을 표면 토포그래피 및 나노기계적 특성 맵핑에 사용하였다. AFM 스캔 및 데르자귄-뮬러-토포로브 (DMT) 모듈러스 측정을 5 nm 미만의 전형적인 반경을 갖는 상업적 질화규소 삼각형 캔틸레버 팁 (스프링 상수 0.35 N/m, 공명 주파수 65 kHz)을 사용하여 피크 힘 모드로 수행하였다. AFM 측정을 위한 기판으로서, 새롭게 절단된 운모를 사용하였다. 절단된 운모 표면은 0.2 nm의 전형적인 RMS 조도를 나타내었다.

<TEM 특징 규명>

300 kV에서 작동되는 Cs-보정된 FEI 티탄(Titan) 80 내지 300 kV를 사용하여 TEM을 수행하였다. 포스트-시험편 구형 수차 보정기의 보조 하에 명시야 TEM 이미지를 획득하여, 0.09 nm의 공간 분해능을 얻었다. ISODATA (반복적 자기-조직화 데이터 분석 기술(Iterative Self-Organizing Data Analysis Technique)) 경계화 알고리즘을 사용하는 이미지제이(ImageJ) (NIH 셰어웨어)를 사용하여 PEI-AuNS 내의 다공도 및 평균 기공 크기 (사이간격)를 측정하였다. 고각도 환상 암시야 (HAADF) 주사 투과 전자 현미경 (STEM) 및 에너지 필터링 TEM (EFTEM)을 0.136 nm의 최적 공간 분해능으로 수행하였다. 옥스포트 엑스-맥스 실리콘 드리프트 검출기(Oxford X-max Silicon Drift Detector) (SDD)를 사용하여, 80 mm^2의 검출 면적 및 136 eV의 에너지 분해능으로 EDX 분석을 수행하였다 (옥스포드 인스트루먼츠(Oxford Instruments, 영국)).

<제타 전위 측정>

제타사이저 나노(Zetasizer Nano) ZSP (말베른 인스트루먼츠 리미티드(Malvern Instruments Ltd, 영국 우스터셔))를 사용하여 제타 전위 측정을 수행하였다. Au 샘플 (pH 6에서 800 마이크로리터의 현탁액)을 제타 셀 (말베른, 영국)로 옮겼다. 120 sec 동안 25 C의 온도로의 평형화 후, 3회 측정을 수행하였고, 여기서는 12회 실행을 기기에 의해 자동 측정하였다.

<UV-Vis 분광법>

멀티스캔(Multiskan) GO UV/Vis 마이크로플레이트 분광광도계 (써모 사이언티픽(Thermo Scientific, 미국))를 사용하여 광학 흡수 스펙트럼을 기록하였다.

TEM 분석을 위해, 작은 부피의 현탁액을 탄소 격자 상에 배치하고, 물을 증발시켜, NS가 NS의 2D 성질을 나타내며 TEM 격자 상에 편평히 놓이도록 하였다 (도 3a). 때때로, NS는, 고체 지지체 상의 침전의 결과로, 연부에서 폴딩되는 것으로 보인다. NS의 크기는, 음파처리 시간 및 전력을 변화시킴으로써 수십 나노미터 내지 수 마이크로미터 사이에서 조율가능하였다 (도 3a 및 3b). 도 3a는 박리된 불규칙 형상의 큰 NS의 TEM 이미지이다. 도 3b는 박리된 불규칙 형상의 작은 NS의 TEM 이미지이다. 이들 도는 음파처리 전력 및 시간을 조정함으로써 크기가 조율될 수 있음을 보여준다. 두께를 측정하기 위해, NS를 규소 (Si) 기판 상에 분산시키고, 피크 힘 탭핑 모드 AFM으로 스캐닝하였고 (도 3c 및 3e), 이는 관련 단면 높이 프로파일을 나타내었다 (도 3h 및 3j). 도 3c는, Si 기판 상의 본 발명의 실시양태에 따른 NS의 탭핑 모드 AFM 토포그래피 이미지를 나타낸다. 도 3d는, 도 3c에 나타낸 NS에 대한 약 8 nm의 두께를 보여주는 단면 높이 프로파일이다. 도 3e는, 폴딩된 침전된 NS의 탭핑 모드 AFM 토포그래피 이미지를 나타낸다. 도 3f는 도 3e에 나타낸 NS의 단면 높이 프로파일이며, 이는 폴딩된 영역이 언폴딩된 영역의 두께의 2배임을 명백히 보여준다. 도 4는 NS의 두께의 히스토그램을 나타낸다. NS의 평균 두께는 100개의 단면 높이 프로파일로부터 5.9 nm +- 0.7인 것으로 측정되었다 (도 4).

본 발명자들은, 규소 기판 상의 스핀-코팅된 bPEI 중합체의 두께를 수십 나노미터로부터 마이크로미터까지 변화시키는 것이 NS의 평균 두께에 영향을 주지 않았음을 발견하였다. 이는, 중합체가 분지형 (가교되지 않음)이기 때문이다. 따라서, 분지형 중합체의 단일 층이 Au 나노도메인 상에 흡착되면, 중합체 층의 두께의 추가의 증가가 존재할 수 없고, 이로부터 NS 제조에 사용되는 방법의 유효성이 확인된다.

또한, 나노기계적 특성 맵핑을 폴딩된 NS에 대하여 수행하였다. 결과는, 중합체가 Au 나노도메인의 양면 상에 흡착되는 것으로 나타났다 (도 5a 내지 5d). 도 5는 NMS의 폴딩의 나노기계적 맵핑을 나타낸다. 도 5a는 폴딩된 본 발명의 실시양태에 따른 NS의 피크 힘 탭핑 모드 토포그래피이다. 도 5b는, 도 5a에서 실선으로 나타낸 구획을 따라 절단한, 도 5a에 나타낸 폴딩된 NMS의 관련 단면 높이 프로파일이다. 도 5c는, 도 5a에 나타낸 폴딩된 NMS의 나노기계적 맵핑을 나타내고, 이는 NMS의 양쪽 표면이 중합체 코팅된 것을 입증한다. 데르자귄-뮬러-토포로브 (DMT) 모듈러스 맵은, Au 도메인이 주위의 중합체와 구별될 수 없고, 박리된 NMS의 모듈러스 (E)는 표면을 가로질러 균일하였음을 보여준다. 도 5d는, 도 5c에서 정사각형으로 나타낸 관심 영역 내의 DMT 모듈러스의 분포를 나타낸다.

2D-NS는 pH 값을 10으로 변화시킴에 따라 나노스크롤로의 pH-감응성 형상 변형을 나타낸다는 것이 또한 발견되었다. 나노스크롤은 pH=5에서 부분적으로 언롤링되고, pH=3에서 편평한 2D-NS로 완전히 언롤링된다. pH=6에서의 초기의 편평한 NS (도 3a)로부터, pH=10에서의 나노스크롤로의, 이어서 pH=5에서의 부분적으로 언롤링된 나노스크롤로의, 또한 pH=3에서 다시 편평한 NS로의 이러한 변형이 각각 도 6a 내지 6c, 6e 내지 6g, 및 6i 내지 6k에 나타나 있다. 도 6은, 다양한 pH 조건 하에서의 본 발명의 실시양태에 따른 NS에 대한 효과를 보여준다. 도 6a 내지 6d는 pH 10에서의 완전히 롤링된 NS를 나타낸다. 도 6e 내지 6h는 pH 5에서의 부분적으로 언롤링된 NS를 나타낸다. 도 6i 내지 6l은, pH 3에서의 언롤링된 편평한 NS를 나타낸다. 6a, 6e, 및 6i는, 각각, 롤링된 NS, 부분적으로 언롤링된 NS, 및 언롤링된 NS를 보여주는 탐사 TEM 이미지이다. 스크롤은 단편화 없이 선형이다. 6b, 6f, 및 6j는 각각 상세 TEM 이미지이고, 이는 각각 제어된, 롤링된 NS (6b), 부분적으로 언롤링된 NS (6f), 및 언롤링된 NS (6j)를 보여준다. 6c, 6g 및 6k는 각각 AFM 토포그래피 이미지를 나타낸다. 6d, 6h 및 6l은, 각각, 6c, 6g 및 6k에 나타낸 실선을 따라 절단된, 각각, 6c, 6g 및 6k의 관련 단면 높이 프로파일이다. AFM 데이터는 TEM 데이터와 일치한다. 또한, 6d, 6h 및 6l에 나타낸 층 두께는 도 1의 예비-롤링된 NS와 일치한다.

이들 나노스크롤은, NS에 크기에 따라 달라지는 턴 수를 가지며, 직선 연부를 갖고 균일하고, 2 내지 4층의 전형적인 스크롤 두께를 갖는다 (도 6d). NS 및 나노스크롤은 일치된 치수를 갖고, 기판 상에 분획 또는 잔류 물질이 나타나지 않았으며, 이는 TEM (도 6a, 6e, 및 6i), 및 AFM 토포그래피 (도 6c, 6g, 및 6k) 및 관련 단면 높이 프로파일 (도 6d, 6h, 6l)에 의해 모니터링되는 바와 같이, 형상 변형 과정 동안 손상이 일어나지 않았음을 나타낸다.

<모델링>

롤링 메커니즘을 이해하기 위해, 본 발명자들은 안정한 NS (pH=6에서)를, 일부 (협동근 및 고정근)는 개개의 Au 나노도메인에 부착되고, 일부 (인대)는 다수의 Au 나노도메인에 부착된 수천개의 개개의 bPEI 사슬로 구성된 변형-이완된 시스템으로서 간주하였다.

도 7은, 본 발명의 실시양태에 따른 NS 구조의 동력학에 대한 모델을 개략적으로 나타낸다. 도 7a는, (40)으로 나타낸 침투성 상 중의 나노도메인을 연결하는 중합체 사슬 (인대), 및 (42)로 나타낸 금 나노도메인 (44) 상에 흡착된 중합체 사슬 (협동근 및 고정근)을 나타내는 NS 구조를 개략적으로 나타낸다. 도 7b는, 각각의 나노도메인 상에 작용하는 힘이, NS를 제한 (서로 상쇄)하고 응집에 대해 안정화시키는 도메인내 힘 Fintra, 및 도 7b에 도시된 구조에 대하여 나노도메인을 함께 끌어당기는 작용을 하는 도메인간 힘 Finter를 포함함을 보여준다. 도 7c는, pH 감응성 중합체와 침투성 나노도메인 사이의 커플링에 기인하여 발생하는 굽힘 모멘트 (M)를 나타낸다. 도 7d는, 변형 이완으로 인해 추진되는 굽힘 모멘트 (M)의 결과로서 NS 롤이 형성됨을 보여준다.

Au 나노도메인은 침투성 상 중에 존재한다 (즉, 개개의 나노도메인은 Au 박막의 2D 성질을 보존함). 초기에, 시스템 상에 작용하는 순 응력(net stress)은 0이다. pH 값이 10으로 변화되면 협동근 및 고정근이 수축하고, 이는 서로 균형을 이루고, 크기에 의해, Au 나노도메인을 평면형 구조로 제한하고, 이들을 응집에 대해 안정화시킨다 (도메인내 힘은 수학식 1로 주어짐).

<수학식 1>

상기 식에서, N은 나노도메인의 수이고, K는 나노도메인의 각 면 상에 흡착된 사슬의 수이다 (도 7b). 반면, Au 나노도메인은 제한되어 있기 때문에, 인대는 자유롭게 수축될 수 없고 (도메인간 힘은 수학식 2로 주어짐), 따라서 추가의 위치 에너지가 NS 내에 저장된다.

<수학식 2>

상기 식에서, N은 나노도메인의 수이고, M<<N은, 중합체가 분지형이고 가교되지 않은 것임을, 즉 상호작용은 단지 가장 근접한 이웃간의 것임을 반영하고, G는 임의의 2개의 도메인이 이들을 연결하는 하나 초과의 인대를 가질 수 있음을 반영한다. 이 에너지는 전체 NS 상에 작용하는 큰 굽힘 모멘트 (M)를 생성하여 (도 7c), 변형-이완 구동 롤링을 일으켜, 시스템 내에 저장된 위치 에너지를 최소화한다. 굽힘은 모든 연부에서 동시에 시작되지만, 롤링은 단지 긴 연부를 따라 일어나는데, 이는 이들이 짧은 연부에 비해 보다 큰 굽힘 모멘트를 받기 때문이다 (NPL 번호 20 내지 22). NS는 불균일한 형상을 가지며, 도 6a 내지 6c에 나타낸 바와 같이 단일 나노스크롤 (도 7d)로 롤링된다.

상이한 pH 값에서, 중합체는, 관련 양성자화 상태에 상응하게, 다양한 정도로 수축되거나 팽창되고 (NPL 번호 16 및 17), 따라서 나노스크롤이 제어된 방식으로 부분적으로 언롤링될 수 있고, 이는 임의의 pH 값에서 안정한 상태로 가정한다. 이는, 각각, pH=5에서 (도 6e 및 6f) 및 pH=3에서 (도 6i 및 6j)의 TEM 현미경사진에서 부분적으로 언롤링된 편평한 2D-NS의 경우에 나타난다. AFM 이미지 (도 6c, 6g, 및 6k) 및 상응하는 단면 높이 프로파일 (도 6d, 6h, 및 6l)에서 층상 구조가 명백하다. 문헌에 보고된 다른 나노스크롤과 달리 (NPL 번호 23 내지 25), 롤링은 자발적이 아니고, 각각의 양성자화 상태 (pH)에 대해 안정한 배열이 존재함을 인지하여야 한다. 이는 본 개시내용에서 제공된 NS의 신규하고 유용한 구조 및 특성을 입증한다.

침투성 (약 80%의 표면 덮힘률) 나노구조화된 Au 필름 (x선 반사율 측정에 의해 확인된 5.5 nm 두께 (NPL 번호 18), 전자 밀도 = 19.30 g/cm^3) 및 중합체 층 (2 nm 총 두께, 전자 밀도 = 1.03 g/cm^3) 사이의 질량비의 간단한 계산에서는, 질량비가, 놀랍게도, 40 초과인 것으로 나타난다. 이러한 질량비에도 불구하고 완전한 롤링의 현저한 능력은, NS 상에 작용하는 큰 굽힘 모멘트 (조대 스케일 특징부)로 전이되는 제한된 개개의 나노도메인 (미세 스케일 특징부) 사이의 힘 (bPEI의 물질 감응성 특성에 기인하여 발생됨)의 총체적 효과의 결과이다. 이러한 물질 감응성 특성-다중스케일 구조 관계 (레버링 메커니즘)는 커플링 효과로서 언급될 수 있다. (나노도메인은 NS의 다중스케일 구조의 미세 스케일 특징부이다. 침투성 필름의 구조로 인해, 이들은 이들의 국지적 환경 내에서 공간적으로 제한된다. 따라서, 이들 도메인 상에 작용하는 임의의 힘은 이들에 대해 임의의 일도 수행할 수 없고 (즉, 에너지가 소산되기보다는 저장됨), 따라서, 결국, 보다 조대한 스케일의 구조에 대해 상당한 일을 수행한다 (전체적 2D-NS를 굽힘)).

침투성 조건의 임계성을 확인하기 위해, 침투 임계치 훨씬 미만의 Au 골격으로 제조된 샘플에 대하여 추가의 실험을 수행하였다. 도 8은 침투 임계치 훨씬 미만의 Au 응집의 TEM 이미지를 나타낸다. 도 8a는 침투 임계치 미만에서 제조된 증착 상태의 Au 박막을 나타낸다. 도 8b는 도 8a의 생성된 박리 및 응집된 구조를 나타낸다. 이들 도에 나타난 바와 같이, 이들 샘플은 불안정한 것으로 나타났고, NS를 형성하지 않았으며, 박리시 응집되었다.

이들 NS는 이전에 보고된 "스마트" 중합체 브러쉬 (NPL 번호 3 및 26 내지 29)와 완전히 상이함을 인지하여야 한다. 중합체 브러쉬 (연속 박막/표면으로 부착되거나 그래프팅된 민감성 중합체 사슬의 층)은 이들의 구조와 커플링되기보다는 이들의 구조에 의해 결정되는 특성을 갖고, 따라서 힘이 단지 수학식 1에 의해 정해진다.

일반적으로, 스크롤의 직경은 벽의 두께 및 시스템 내의 순 변형률에 따라 스케일링된다. 본 개시내용에서, 2D-NS의 두께는 침투 조건에 의해 제한되기 때문에, 중합체의 분자량 (Mw)을 변화시킴으로써 변형률을 조율하였다. 도 9는, 상이한 분자량 (Mw)의 본 발명의 실시양태에 따른 중합체를 갖는 NS의 광학 특성 및 제타-전위를 나타낸다. 도 9a는, pH 10에서 750 kDa의 Ms를 갖는 NS의 탐사 TEM 이미지를 나타낸다. 도 9b는, 롤링된 NS의 상세 TEM 이미지를 나타낸다. 롤의 직경은 Mw 증가에 따라 증가하고, 이들은 벽의 중량으로 인해 이완된 후-침전을 보인다. 도 9c는 NS의 AFM 피크 힘 탭핑 모드 토포그래피이다. 도 9d는, 도 9c의 토포그래피에서 실선으로 나타낸 구획의 관련 단면 높이 프로파일이고, 이는 스크롤의 높이가 턴 수에 비례함을 보여준다. 도 9e는, 각각, pH 3, 5, 7, 및 10에서의 다중스케일 NS (25 kDa)의 흡광도 스펙트럼을 나타내고, 이는 pH 3에서의 장파장에서의 편평한 숄더 (편평한 NS)로부터 pH 10에서의 1D 금속 구조의 Au 플라즈몬 공명과 일치하는 피크 (나노스크롤형 NS)로의 전이를 보여준다. NS 분산액을 나타내는 삽입 사진은 좌측으로부터 우측으로 갈수록 감소하는 pH 값에 대한 것이다. 도 9f는 NS에 대한 양의 제타-전위를 나타내고, 이는 3 내지 10 범위의 pH에 상응하는 모든 양성자화 상태에서 NS의 안정성을 나타낸다.

중합체의 Mw가 25 kDa으로부터 750 kDa으로 증가하면, TEM 현미경사진 (도 9a 및 9b)에 나타난 바와 같이, 나노스크롤의 직경이 증가하였다. 이들은, 증가된 벽 중량으로 인해 고체 기판 상에 침전시 이완된 것으로 보인다. AFM 토포그래피 및 단면 높이 프로파일 (도 9c 및 9d)는 두께가 턴 수에 비례함을 보여준다.

나노스크롤과 2D-NS 사이의 형상 변형을 UV-가시광 분광법 및 제타-전위 측정에 의해 모니터링하였다. 여러 pH 값에서 NS에 대해 흡광도 스펙트럼을 얻었다. pH 값이 증가함에 따라, 흡광도 스펙트럼이 장파장에서의 편평한 숄더를 갖는 박막 (2D-NS)의 전형적인 스펙트럼으로부터 Au의 플라즈몬 공명에 상응하는 피크를 가지며 장파장에서 흡광도가 감소하는 금속 1D 나노구조 (나노스크롤)의 전형적인 스펙트럼으로 변하였다 (도 9e) (NPL 번호 30 및 31). 상이한 분자량의 2종의 상이한 중합체의 양성자화 상태 (pH 값)에 상응하는 제타-전위 값을 측정하였다 (도 9f). 양의 전위는, 구조가 3 내지 10의 폭넓은 범위의 pH 값에 걸쳐 안정함을 나타내고, 이로부터 중합체가 Au 나노도메인 상에 강하게 흡착되는 것이 확인된다 (NPL 번호 17). 나노스크롤로의 NS 전이에 따라 제타-전위가 감소하고, 이는 롤링과 일치되는 표면적 감소를 나타낸다.

상기에 기재된 바와 같이, 본 발명의 하나의 측면에서, 본 발명자들은, 생물의 근골격을 모방하는 2D NS의 감응성 특성과 다중스케일 구조 사이의 커플링 효과를 발견하였다. 이러한 커플링 효과는 골격의 침투성 상의 결과로 나타난다. 침투성 상을 제외하면, 이들 시스템의 특성은 단순히 구조에 의해 정해진다. 본 발명에 따른 실시양태에 따른 NS는, 인공 근육, 관련 기술분야에서 널리 인식되는 바와 같은 약물 전달 시스템 (위장관은 2 내지 10 범위의 pH를 가짐) (NPL 번호 32), 자가-회복 코팅, 및 분자 튜브에서의 용도를 가질 수 있다. 이들 NS를 제조하는 데 사용되는 방법은 일반적이고 상이한 금속 및 스마트 중합체와 상용가능하다. 명백한 산업적 용도 이외에도, 본원에서 달성된 기본적 이해 및 개발된 모델은 과학적 의의의 중요한 문제를 제기한다: 이러한 커플링 효과가 어느 정도까지 일반화될 수 있는지, 또한 물리 과학의 다른 분야로의 통찰을 제공할 수 있는지?.

본 발명의 또 다른 측면에서는, 하기 추가의 개시내용이 제공된다. 하기에 제공되는 실시양태 및 설명의 일부는 상기에 제공된 설명과 중복된다.

플라즈몬성 금속-중합체 복합체가 2차원 (2D) 물질로서 실현되면 비범한 광학 특성이 나타날 수 있다. 본 개시내용은 또한, 미로형 Au 도메인을 갖는 박형 (5 내지 10 nm), 가요성, 및 전이가능 2D 금-폴리에틸렌이민 (Au-PEI) 나노시트의 간단하고 비용 효율적인 그린(green) 합성 방법을 기재한다. 크기-조율가능한 나노시트의 자립형 및 안정성 콜로이드 용액이 얻어질 수 있다. 박리된 나노시트는, 근적외선 영역으로 연장되는, Au 도메인의 밀도에 매우 민감한, 현저한 조율가능한 표면 플라즈몬 공명 반응을 나타내고, 이는 이들을 과학적 및 기술적 응용에 적합하게 만든다.

구체적으로, 본 개시내용은, 초박형 2D Au-PEI 나노시트 (NS)의 그린 및 간단한 합성 방법을 기재한다. 나노시트는 가요성이고, 전이가능하고, 플라즈몬성이다. 독특하나 구조, 안정성, 나노기계적 특징, 및 광학 특성을 하기에 기재한다. 합성 방법은 PEI가 침투된 유리 기판 상의 Au 스퍼터 증착, 그 후 액체 박리에 기초한다 (도 10).

도 10은 본 발명의 실시양태에 따른 나노시트 (NS)의 제조 방법을 나타낸다. Au를 PEI 템플레이트 상에 증착시킨 후 액체 박리시킨다. 도 10a는 60초 동안 PEI 템플레이트 상에 증착된 Au의 TEM 현미경사진을 나타낸다 (Au-PEI NS I). 도 10b는 120초 동안 PEI 템플레이트 상에 증착된 Au의 TEM 현미경사진을 나타낸다 (Au-PEI NS II). 2개의 도 모두에서, 단절 및 연결된 Au 미로형 도메인이 나타난다. 도 10c는, 각각의 Au-PEI 나노복합재를 30 W에서 30 분 동안 메탄올 중에서 초음파처리하고, 이어서 이를, 도 10a의 Au 증착된 PEI 템플레이트에 대해 착색된 콜로이드 현탁액이 나타날 때까지 물 중에 분산시키는 단계를 개략적으로 나타낸다. 도 10d는, 각각의 Au-PEI 나노복합재를 30 W에서 30 분 동안 메탄올 중에서 초음파처리하고, 이어서 이를, 도 10b의 Au 증착된 PEI 템플레이트에 대해 착색된 콜로이드 현탁액이 나타날 때까지 물 중에 분산시키는 단계를 개략적으로 나타낸다. 도 10e는 각각의 NS에 대한 제타 전위 측정을 나타낸다. 제타 전위 측정 결과는 높은 PEI 분자량에서 향상된 안정성을 나타내었다.

Au 핵형성 및 미로형 도메인으로의 성장은 Au 증착 시간의 직접적 함수로서 진척되었고, 이는 Au-박막 형성의 조기 단계의 특징이다 (NPL 번호 38). TEM 현미경사진 (도 10)에 나타난 바와 같이, PEI 템플레이트 상으로의 Au의 증착 시간 (t)이 증가함에 따라, 단절된 Au 미로형 도메인, t=60 s (Au-PEI NS I) (10a)로부터 상호연결된 미로형 도메인, t=120 s (Au-PEI NS II) (10b)로의 전이가 존재하였다. t=15 내지 45초의 증착 시간에서의 나노구조의 TEM 현미경사진을 비교를 위해 도 11에 나타내었다. 도 11은, 다양한 시간 간격에서의 PEI 템플레이트 상에 증착된 금의 TEM 현미경사진을 나타낸다. 스케일 바는 20 nm를 나타낸다. 도 11의 (a)는 15초 동안 PEI 템플레이트 상에 증착된 금을 나타낸다. 도 11의 (b)는 30초 동안 PEI 템플레이트 상에 증착된 금을 나타낸다. 도 11의 (c)는 45초 동안 PEI 템플레이트 상에 증착된 금을 나타낸다. 도 11의 (d)는 메탄올 용액 중에서의 도 11의 (a)에 상응하는 수확된 PEI-Au 나노구조를 나타낸다. 상부 삽입도는 구조의 개략도를 나타낸다. 하부 삽입도는 현미경사진 이미지를 나타낸다. 도 11의 (e)는 메탄올 용액 중에서의 도 11의 (b)에 상응하는 수확된 PEI-Au 나노구조를 나타낸다. 상부 삽입도는 구조의 개략도를 나타낸다. 하부 삽입도는 현미경사진 이미지를 나타낸다. 도 11의 (f)는 메탄올 용액 중에서의 도 11의 (c)에 상응하는 수확된 PEI-Au 나노구조를 나타낸다. 상부 삽입도는 구조의 개략도를 나타낸다. 하부 삽입도는 현미경사진 이미지를 나타낸다.

나노시트를 얻기 위해 사용된 박리 절차는 간단하고 비용-효율적이다. 유리 상에 지지된 Au-PEI 나노복합재를 30 W에서 30 분 동안 메탄올 중에서 초음파처리하고, 이어서 물 중에 분산시켰다. 착색된 콜로이드 현탁액이 나타났다 (도 10c 및 10d에서의 삽입도). 나노시트 콜로이드 용액의 안정성을 제타 전위 측정을 사용하여 평가하였다 (도 10e). 나타난 높은 제타 전위 값 (+ 48 mV 내지 + 50 mV)은, 높은 PEI 분자량 (> 20 kDa)에서의 증가된 안정성을 보여주었고, 이는 Au 나노도메인이 PEI에 의해 캡슐화되고 PEI의 양이온 전하 밀도가 나노시트를 떨어뜨려 유지함을 시사한다.

박리된 나노시트의 미세구조 모폴로지를 연구하기 위해, 콜로이드 용액 중에 현탁된 나노시트를 TEM 격자 상에 증착시켰다. 나노시트는 최대 수백 나노미터의 측방향 치수를 나타낸다 (도 12). 도 12는 본 발명의 실시양태에 따른 박리된 나노시트의 TEM 이미지를 나타낸다. 도 12a는 단절된 미로형 금 도메인을 갖는 Au-PEI NS I을 나타낸다. 도 12b는 연결된 미로형 금 도메인을 갖는 Au-PEI NS II를 나타낸다. 도 12c는 보다 낮은 음파처리 전력으로 제조된 NS를 나타낸다. 도 12d는 또 다른 보다 낮은 음파처리 전력으로 제조된 NS를 나타낸다. 도 12c 및 12d에 나타난 바와 같이, 보다 큰 측방향 치수는 온화한 음파처리에 의해 얻어질 수 있다. 도 12e는 Au 도메인의 다결정 성질을 보여주는 NS의 HRTE 이미지 (삽입도는 FFT를 나타냄)를 나타낸다. 도 12f는 Au 도메인의 다결정 성질을 보여주는 또 다른 NS의 HRTE 이미지 (삽입도는 FFT를 나타냄)를 나타낸다. 이들 도를 통해, Au-PEI NS I (12a) 및 Au-PEI NS II (12b)는, 각각, 5.7 +- 1.0 nm (사이간격=3.6 +- 1.0 nm, 47% 다공도) 및 7.2 +- 1.2 nm (사이간격=1.8 +- 0.4 nm, 31% 다공도)의 단축을 갖는 것으로 나타났다. 보다 큰 측방향 치수가 요망되는 경우, 보다 낮은 음파처리 전력 (10 W)이 사용될 수 있다 (도 12c 및 12d). 보다 큰 나노시트의 연부에서 폴딩이 나타날 수 있다. HRTEM 및 관련 고속 푸리에 변환 (FFT)에서는, 금 도메인이 다결정성 (도 12e 및 12f 및 삽입도)이고, 격자면 간격은 벌크 Au의 것들과 일치함을 보여준다.

박리된 Au-PEI NS의 표면 토포그래피를 원자간력 현미경법 (AFM)에 의해 검사하였다. 도 13은 박리된 나노시트의 표면 토포그래피 및 나노기계적 특성 맵핑을 나타낸다. 도 13a는 단일 층 및 폴딩된 이중 층을 갖는 Au-PEI NS I 특성화 영역의 AFM 높이 이미지를 나타낸다. 도 13c는 각각의 층의 5 내지 8 nm의 두께를 보여주는 단면 높이 프로파일을 나타낸다. 도 13b는 Au-PEI NS II의 AFM 높이 이미지를 나타낸다. 도 13d는 7 내지 10 nm의 두께를 보여주는 단면 높이 프로파일을 나타낸다. 도 13e는 Au-PEI NS I의 DMT 모듈러스 맵을 나타낸다. 도 13f는 Au-PEI NS II의 DMT 모듈러스 맵을 나타낸다. 도 13g는 도 13e에 대한 상응하는 모듈러스 히스토그램을 나타낸다. 도 13h는 도 13f에 대한 상응하는 모듈러스 히스토그램을 나타낸다.

나노시트는, Au-PEI NS I에 대해 5 내지 8 nm (도 13a 및 13c) 및 Au-PEI NS II에 대해 7 내지 10 nm (도 13b 및 13d)의 균일한 단층 높이를 가지며, 초박형 및 편평형이었다. 데르자귄-뮬러-토포로브 (DMT) 모듈러스 맵 (도 13e 및 13g)은, Au 도메인이 주위의 중합체와 구별될 수 없고, 박리된 나노시트의 모듈러스는 표면을 가로질러 균일하였음을 보여준다 (Au-PEI NS I에 대해 E=5 내지 10 MPa의 값 (도 13f) 및 Au-PEI NS II에 대해 E=30 내지 40 MPa의 값 (도 13h)). 이들 균일한 모듈러스 값은 또한, Au 도메인이 PEI로 완전히 캡슐화됨을 시사한다. 이는 추가로, Au 및 C의 분포를 미세구조와 정량적으로 상관시키는, 도 14에 나타낸, 고각도 환상 암시야 주사 TEM (HAADF STEM) 모드로 기록된 나노시트 영역의 원소 맵핑 및 스펙트럼에 의해 확인되었다.

UV-Vis 분광법을 사용하여 박리된 Au-PEI NS의 광학 흡수 특성을 측정하였다. 흡수 특징은 Au 도메인의 밀도에 매우 민감하다 (Au 증착 시간에 의해 제어됨). 박리된 Au-PEI NS I 및 Au-PEI NS II로부터의 광학 흡수 스펙트럼을, 단리된 NP와 비교하여, 도 15에 나타내었다. 도 15는 물 중의 박리된 나노시트 현탁액의 UV-Vis 흡수 스펙트럼이다. Au-PEI NS I는 1000 nm에서 약 0.5 흡수를 갖는 실선 곡선으로 나타내었고, Au-PEI NS II는 1000 nm에서 약 0.7 흡수를 갖는 실선으로 나타내었다. t = 15초에서 제조된 PEI-AuNP는 비교용으로 파선으로 나타내었다.

이들 도에 나타난 바와 같이, Au 도메인 밀도 증가에 따라 적색 이동 및 광학 밀도의 증가가 나타난다. 스펙트럼은 500 nm 주위에서 최소 흡수 및 근적외선 영역으로 연장되는 현저한 흡수 밴드를 나타내고, 이는 종방향 표면 플라즈몬 공명 (LSPR)에 기인할 수 있다 (LPT 번호 43).

미로형 다결정 Au 도메인을 갖는 2D PEI-Au 나노시트를 제조하기 위한 신규한 그린 합성 방법이 제공되었다. 나노시트는 조율가능한 크기 및 플라즈몬성 활성을 가지며 가요성이고, 전이가능하다. 나노시트의 자립형 및 안정성 콜로이드 용액이 얻어질 수 있고, 이는 이들을, 기초 과학적 연구로부터 상업적으로 유용한 기술까지, 생체의학 및 나노기술 맥락에서의 사용을 위한 매력적인 후보로 만든다. 본 개시내용은 단지 Au 및 PEI에 초점을 둔 것이지만, 제공된 방법은 다른 플라즈몬성 금속 및 분지형 중합체에도 적용가능하고, 이는 이들의 능력을 확장시키고 새로운 기능성 나노물질의 연구에 대한 기회를 제공한다.

본 발명의 취지 또는 범주로부터 벗어나지 않으면서 본 발명에서 다양한 변형 및 변화가 이루어질 수 있음이 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨구된 청구범위 및 그의 등가물의 범주 내에 포함되는 변형 및 변화를 포괄하도록 의도된다. 특히, 상기에 기재된 임의의 둘 이상의 실시양태 및 이들의 변형의 임의의 일부 또는 전체가 조합되어 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 간주될 수 있음이 명백히 고려된다.

Claims (8)

1. pH 감응성 2차원 나노-시트의 제조 방법이며,
   기판 상에 폴리에틸렌이민 (PEI) 매트릭스를 형성하고;
   PEI 매트릭스 상에 침투성 금 필름이 형성될 때까지 PEI 매트릭스 상에 금을 증착시키고;
   침투성 금 필름을 갖는 PEI 매트릭스를 용액 내에 침지시켜, 금을 갖는 PEI 매트릭스를, 기판으로부터 분리된 복수의 2차원 시트로 박리시키는 것
   을 포함하고, 여기서 생성된 시트는 그 주위의 pH 값에 감응하여 폴딩가능한 것인 방법.
2. 제1항에 있어서, 복수의 시트를 정제하고 탈이온수 중에 재-현탁시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 용액이 메탄올 용액인 방법.
4. 제1항에 있어서, 침지 단계가, 침투성 금 필름을 갖는 PEI 매트릭스에 초음파처리를 적용하여 복수의 2차원 시트로 박리시키는 것을 포함하는 것인 방법.
5. 제1항에 있어서, 기판이 실리콘 웨이퍼인 방법.
6. 제1항에 있어서, PEI 매트릭스 상에 금을 증착시키는 단계가, 기판 상의 PEI 매트릭스 상에 침투성 금 필름이 형성될 때까지 금을 스퍼터링하는 것을 포함하는 것인 방법.
7. 주위의 pH 값에 감응하여 폴딩가능한 2차원 나노-시트이며,
   2차원 형태를 갖는 폴리에틸렌이민 (PEI) 사슬; 및
   PEI 사슬 상에 침투성 금 필름을 형성하는, PEI 사슬에 부착된, 금으로 이루어진 복수의 도메인
   을 포함하고, 여기서 나노-시트는 주위의 pH 값에 감응하여 폴딩가능한 것인 2차원 나노-시트.
8. 제7항에 있어서, 플라즈몬성인 2차원 나노-시트.
   

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