[논문 리뷰] Towards rational design of power-law rheology via DNA nanostar networks

Nathaniel Conrad, Omar A. Saleh외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 28.

Nanopore and Nanochannel Transport StudiesEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 조절 가능한 강한 및 약한 결합을 가진 DNA 나노스타 네트워크가 힘의 법칙 점탄성 거동의 합리적 설계를 가능하게 한다는 것을 보여준다. 강한 결합과 약한 결합의 비율을 변화시킴으로써, 저항성 있는 강한 결합 서브네트워크에서 점성 있는 약한 결합 매트릭스를 통해 확산되는 응력 완화가 주파수 의존성 탄성 모듈러스의 승수 법칙 스케일링을 유도하며, 이는 시뮬레이션과 실험을 통해 검증된다.

ABSTRACT

We measure the rheology of transient hydrogels comprised of a single type of DNA nanostar that makes both strong and weak bonds. These gels exhibit power-law frequency-dependence of their storage and loss moduli, with scaling exponents that depend on the proportions of the two bonds. A diffusive stress-relaxation model, in which the strong-bond sub-network relieves stress by diffusing through an effective viscosity imposed by the weak bonds, explains the scaling of their moduli. The model has implications for the fractal dimensions of the strong-bond sub-network that are in good agreement with measurements and makes testable predictions for the viscoelasticity of other transient hydrogels. Overall, this work demonstrates the power of DNA nanotechnology to decipher, and potentially rationally design, power-law rheology.

연구 동기 및 목표

• 임시 수화물에서 힘의 법칙 점탄성 거동의 기원을 이해하기 위해.
• 다양한 결합 유형(강한 및 약한)에서 유래하는 다중 응력 완화 시간 상수들이 점탄성 반응에 미치는 영향를 조사하기 위해.
• 네트워크 구조, 결합 역학, 주파수 의존성 모듈러스 스케일링을 연결하는 예측 모델을 개발하기 위해.
• 정확하게 제어된 결합價와 강도를 가진 DNA 나노스타 시스템을 사용하여 모델를 검증하기 위해.
• 맞춤형 점탄성 특성을 가진 복잡한 생물재료의 합리적 설계 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• 6개의 팔을 지닌 DNA 나노스타를 합성하였으며, 각 팔은 강한(γ: TGCGCGCA), 약한(α: CGATCG), 또는 무(×) 오버행을 지녀 입자 간 결합을 제어하였다.
• 나노스타 용액의 열적 안일화를 통해 임시 네트워크를 형성하였으며, 이는 이중 결합 유형을 가진 수화물을 생성하였다.
• 주파수(0.1–10 Hz) 및 온도(5–50 °C) 범위에서 선형 점탄성 영역에서 진동 rheology 실험을 수행하였으며, 시간-온도 초월 원리를 적용하여 마스터 곡선을 구축하였다.
• 강한 결합 네트워크가 약한 결합에 의해 정의된 점성 매질을 통해 확산되는 방식으로 응력 완화가 일어나는 확산 응력 완화(DSR) 모델을 적용하였다.
• 응력 스위프를 수행하여 탄성 상관 길이 ξ(f)를 추정하였으며, Zimm 영역에서 f⁻¹/³ 스케일링과의 일관성을 검증하였다.
• 2D 근접 등정 네트워크의 시뮬레이션과 실험적 스케일링 승수를 비교함으로써 DSR 모델을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DNA 나노스타 네트워크에서 두 가지의 서로 다른 결합 유형(강한 및 약한)이 저장 모듈러스와 손실 모듈러스의 주파수 의존성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 확산 응력 완화 모델이 이러한 네트워크에서 관찰된 힘의 법칙 스케일링을 설명할 수 있는가?
• RQ3 강한 결합 서브네트워크의 프랙탈 차원과 관측된 힘의 법칙 승수 간의 관계는 무엇인가?
• RQ4 강한 결합과 약한 결합의 비율이 주파수에 따른 탄성 상관 길이 ξ의 스케일링에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 2D 근접 등정 네트워크의 시뮬레이션은 DSR 모델과 그 G′ 스케일링 예측에 얼마나 잘 부합하는가?

주요 결과

• 단일 결합 유형(예: α₆ 또는 x₃γ₃)을 가진 수화물은 G′ ∼ f² 및 G′′ ∼ f를 보이며, 단일 응력 완화 모드를 나타내는 맥컬럿 유사 거동을 보였다.
• 강한 및 약한 결합을 모두 포함하는 이종 결합 네트워크는 힘의 법칙 스케일링을 보였으며, α₄γ₂ 및 α₃γ₂ 시스템에서 G′ ∼ f¹/² 및 G′′ ∼ f¹/²였다.
• α₄γ₂ 및 α₃γ₂ 젤에서 탄성 상관 길이 ξ는 f⁻¹/³으로 스케일링되었으며, Zimm 영역에서의 확산 응력 완화(DSR) 모델과 일치하였다.
• 2D 근접 등정 네트워크의 시뮬레이션은 Zimm 한계에서 G′ ∼ f⁰.⁶⁰, Rouse 한계에서 G′ ∼ f⁰.⁴⁷를 예측하였으며, 실험적 스케일링 승수와 일치하였다.
• 응력 지지 체인의 프랙탈 차원(d_min ≈ 1.80)과 네트워크의 프랙탈 차원(d_fr ≈ 1.86)은 관측된 스케일링 행동과 일치하였다.
• DSR 모델은 단순한 응력 완화 모드의 덧셈으로 설명되지 않는 광범위한 응력 완화 역학의 기원을 성공적으로 설명하였다.