ナノスケールのDNA格子をシリカにコーティングし、史上最高の重量比強度を持つ材料を開発

この研究結果はCell Reports Physical Scienceで公開され「高強度・軽量ナノアーキテクチャードシリカ（High-Strength, Lightweight Nano-Architected Silica）」と題されています。

反復する順序立てられた単位、すなわち格子で構成された構造は、軽量でありながら強靭です。フレームが強度をもたらし、開いた空間が軽さを与えます。興味深いことに、格子要素のサイズを小さくすると強度が増し、ナノスケールの格子は、同じ材料で構成された固体よりもさらに強くなることがあります。超強力であるためには、格子は完璧でなければならず、亀裂や空洞などの欠陥があってはなりません。もちろん、非常に小さい（50nm未満）完璧な格子を設計することは非常に困難です。

コロンビア大学とブルックヘブンの機能性ナノ材料センター（CFN）のナノ材料科学者、オレグ・ガング博士（Oleg Gang）とアーロン・ミケルソン博士（Aaron Michelson）は、驚くべき材料を使って、微小で完璧な格子を作成しています：それはDNAです。

DNAの鎖は、塩基対間の相互作用により自動的に3Dの形状に折りたたまれるため、DNA鎖の3D形状を設計することは、その配列を設計することと同じくらい簡単です。ガング博士とミケルソン博士は、自己組織化してDNA八面体（~29nmのエッジ長）を形成するDNA配列を作成しました。これらは短い「ステープル」配列によって結合されています。頂点の塩基は隣接する八面体の塩基と補完するため、自然に拡張された格子に組み立てられます。この技術は、日本の紙折り芸術にちなんでDNA「折り紙」と呼ばれています。DNA鎖は迅速かつ大量に生産可能であるため、多くのフレーム形状と高品質の格子を数時間または数日で製造することができます。

DNA単独では非常に強度が低いため、八面体をコーティングして強い材料にする必要があります。ここでも、研究者らは直感に反する材料を選びました：ガラスです。マクロスケールでは、ガラスはもろく、鋼鉄よりも強いガラスベースの材料は考えられないように思えます。しかしながら、ガラスのもろさは、圧力下でガラスが破裂する原因となる不完全性の存在によるものであり、完璧なガラスは信じられないほど強いです。マイクロメーター（1000nm）未満の厚さのガラスは、ほぼ常に完璧であり、ナノ格子に施されたシリカコーティングはそれよりもはるかに薄い、わずか4〜20nm、数百原子の厚さでした。DNA格子にシリカをコーティングした後、研究者らはDNAを除去するために材料を加熱し、ガラス格子のみを残しました。シリカコーティングの薄さは、各八面体内の多くの空洞スペースを保証し、材料を非常に軽量にしました。

素材を作り出すことが最初の課題であり、次にそれをテストすることが強度試験には圧力をかける必要がありますが、目に見えないほど小さいものをどうやって圧縮するのでしょうか？ガング博士とミケルソン博士は、材料の機械的特性を専門とするコネチカット大学の副教授、ソクウー・リー（Seok-Woo Lee）博士と協力しました。リー博士はナノ材料のテストに経験があります。彼らは走査型電子顕微鏡とナノインデンテーションと呼ばれる技術を使用しました。この技術は、非常に正確な器具を使用して力を加え、抵抗を測定します。テストの結果、この材料は鋼鉄の4倍の強度を持ち、最大4.8GPaの圧力に耐えることができることが示されました。これは理論的な最大限に近いものです。より小さな要素を持つ格子はより強いことがわかりました。

興味深いことに、ナノ格子の一部は粉々になるのではなく、少し伸びることができた。これは、極細のシリカナノファイバー（<18 nm）に張力をかけ、Si-O結合を切断すると、ぶら下がった酸素結合がすぐに非配位のSi原子に切り替わるため、結合が失われるのではなく、結合が切り替わるためではないかと著者らは推測しています。

ナノスケールの特殊な特性は、材料設計に大きな可能性を秘めています。DNA折り紙は、異なるフレーム形状や接続性を作り出すために配列を変更することで、様々なタイプの格子を設計するために使用できます。そして、これらの格子をさまざまな異なる材料でコーティングすることができます。この技術は、超伝導体から電池材料、骨や組織の成長のための足場まで、さまざまな用途に役立つ可能性があります。

[Cell Reports Physical Science article]