키랄성은 자연계에 널리 존재하며 무기 나노소재를 포함한 다양한 물질의 성질을 좌우한다. 그러나 키랄성을 부여하는 물리화학적 제약으로 인해, 이전에 보고된 키랄 무기 물질은 소수의 조성에 제한되어 왔다. 본 연구에서는 다양한 무기 물질에 적용 가능한 키랄 나노페인트를 제시한다. 여러 금속 산화물 나노입자(NP)는 본 키랄 나노페인트로 코팅한 후에도 자기적 성질을 포함한 고유의 성질을 유지하면서 키로옵티컬(선광) 특성을 나타냈다. 자기성과 키랄성의 결합은 항암 고주파 온열치료와 같은 생의학적 기능성을 키랄 NP에 부여한다. 체외에서 d-나노페인트 처리된 산화철 NP는 l-나노페인트 처리된 산화철 NP에 비해 세포 내 섭취가 50% 이상 더 높았으며, 이는 세포 표면의 세포 수용체와 키랄 NP 간의 엔안티오특이적 상호작용에 기인한 것이었다. 체내에서는 d-나노페인트 처리된 산화철 NP가 종양에 대한 흡착이 향상됨에 따라 자기(자성) 고주파 온열에 의한 항암 효율이 l-나노페인트 처리된 산화철 NP보다 4배 더 우수함을 보였다. 이러한 키랄 나노입자는 내재적 물리적 성질과 외재적 엔안티오선택적 성질의 정교한 조합을 나타내 다양한 응용 분야에 활용될 수 있는 키랄 무기 생체재료의 잠재적 합성 전략을 제공할 수 있다.

원형 편광광(CPL)을 사용하는 광전자 소자는 효율적인 데이터 처리에 대해 향상된 감도와 특이성을 제공한다. 광학적 활성도가 강하고, 안정적이며, 감도가 높고, 다중 전이 밴드를 가지며, 환경 적합성을 갖춘 CPL 감지 매질에 대한 수요가 증가하고 있다. 여기서는 결함 공학이 적용된 키로페로자성( chiroferromagnetic ) 양자점(CFQDs)을 새로운 유형의 CPL 감지 물질로 사용한다. 키랄 분자를 통해 무정질화(amorphization) 결함을 유도함으로써, 높은 홀수 전자 밀도, 원자 수준의 구조적 키랄성, 증폭된 키로옵티컬(chirooptical) 활성, 그리고 다중 여기자(exciton) 전이 밴드를 갖는 CFQDs를 개발하였다. CFQDs는 선형적인 광학 입력으로부터 비선형적이고 장기적인 플라스틱 거동을 가능하게 하여, 노이즈를 20% 이상 감소시키는 in situ 잡음 필터로 작동한다. 또한 CFQDs는 광자 편광 및 파장 구분에 대한 통합(integration)을 9배 이상 향상시켜, 에너지 효율과 통합이 개선되고 보관 시간(retention time)이 감소한 차세대 프로세서를 위한 기반을 마련한다.

고굴절률 유전체 나노구조는 가시광 범위에서 강한 자기 및 전기 공명을 제공하면서도 낮은 광 손실을 나타내어, 빛 조작 기술에 활용하기 위한 연구 관심을 촉발하고 있다. 유전체 나노구조의 리소그래피 기반 제작은 패턴 치수에 대한 정밀한 제어를 가능하게 하지만, 비효율적인 제작 공정과 제한된 생산 수량으로 인해 실제 응용을 위한 확장성은 제한된다. 본 연구에서는 삼각형(Trigonal) Se로부터 제작된 브룸(broom)과 유사한 형상의 고굴절률 키랄(chiral) 유전체 나노구조에 대한 콜로이드 합성 방법을 시연한다. Se 나노브룸의 이방성 형태 및 결정 구조는 선형 및 원형 편광 산란 모두를 가능하게 하며, 또한 입자 축을 따라 스펙트럼 변화를 유도한다. 이는 저자들이 아는 한, 유전체 콜로이드 나노구조에서 이와 같은 거동을 관찰한 최초의 사례이다. 고산란을 보이는 Se NB 현탁액의 활용 가능성을 보여주기 위해, Se NB 잉크의 2D 및 3D 프린팅을 개념 증명 차원에서 시연한다. 본 접근법은 고굴절률 유전체 나노구조의 수계 분산액을 이용하여 빛을 조작할 수 있는 방법을 제공하며, 2D 및 3D에서 다양한 형태와 차원에 맞춰 적용할 수 있는 잠재력을 열어 광범위한 응용을 가능하게 한다.

탄소 원자는 적외선(IR) 파장 영역에서 광학 활성을 유도한다. 동시에 예컨대 IR 영역에서의 광학 활성을 이해하는 것은 생명과학 응용을 가능하게 하는데, 이는 IR 범위에서 여러 양식의 생체영상과 생체분자의 진동 광학 활성(VOA)이 알려져 있기 때문이다. VOA는 큰 자기 전이 모멘트(magnetic transition moments)로 인해 흡수 및 방출 양쪽의 양식에서 구현될 수 있으며, 이는 진동 원편광 이색성(VCD) 또는 라만 광학 활성(ROA) 분광법을 통해 실현된다. VOA 외에도, 더 긴 파장 영역에서는 키랄 결정과 나노어셈블리에서 격자 진동 모드 또는 포논적 거동이 나타나며, 이는 테라헤르츠 원편광 이색성(TCD) 분광법으로 손쉽게 검출할 수 있다. 한편, 키랄 자기조립은 공조립된 형광소(fluorophores)에서 키랄성이 존재하든 말든 원편광 발광(CPLE)을 유도할 수 있다. 자기조립된 키랄 물질로부터의 CPLE는 특히 흥미로운데, CPLE는 원편광 발광(circularly polarized luminescence)과 원편광 산란(circularly polarized scattering, CPS) 모두에서 기원할 수 있기 때문이다. 또한 자기조립 나노구조는 치수 및 공명 효과로 인해 그 구성 성분보다 더 강한 광학 활성을 나타내는 경우가 많으므로, 키랄 광학을 결합한 현미경 기술을 이용하여 단일 조립 나노구조의 광학 활성을 조사할 수 있다. 여기서는 다양한 포톤 파장에 걸친 키랄 나노소재의 종합적 분석을 위한 분광학적 방법의 최신 동향을 기술하되, 자기조직화된 계층적 키랄성을 갖는 재료 및 단일 입자 분광(single-particle spectroscopy)을 위해 새롭게 등장하는 도구들에 특히 주의를 기울인다.

mRNA 치료제는 인체 질환의 치료를 위한 유망한 전략을 제공하지만, mRNA를 보호하고 그 효율적인 세포 내 전달을 보장하기 위해서는 담체가 필요하다. 그러나 mRNA 담체의 표면 물리화학적 특성이 mRNA의 세포로의 전달 효율에 미치는 영향에 관한 연구는 지금까지 제한적이었다. 본 연구에서는 지질 나노입자(Lipid nanoparticles, LNPs)의 키랄리티(chirality) 조절이 세포 내로의 표적 화물 mRNA 전달 및 형질전환(transfection) 효율을 향상시킬 수 있음을 보고한다. 우리는 키랄 코발트 산화물 나노입자로 LNP의 표면을 개질하여 키랄 LNP를 제조하였다. d- 또는 l-키랄리티를 갖는 키랄 LNP는 루시퍼레이스 또는 EGFP mRNA의 세포 내 섭취 및 형질전환 효율에서 서로 다른 결과를 보였다. d-키랄리티를 갖는 키랄 LNP는 대조 LNP에 비해 mRNA의 세포 전달과 형질전환이 유의하게 향상되었으며, 형질전환은 5.3배 증가하였다. 본 연구는 핵산 약물 전달에 키랄리티를 활용하는 새로운 전략을 시사하며, 키랄리티가 세포에 미치는 영향에 대한 보다 심층적인 이해를 제공한다.

키로프토전자(Chiroptoelectronic) 소자는 양자 컴퓨팅, 스핀 광 통신, 자기 기록과 같은 응용에서 핵심적인 역할을 한다. 그러나 기존의 원편광(CPL) 감지 물질들은 효율이 제한적이고 안정성이 낮아, 보다 폭넓은 활용이 제약되어 왔다. 본 연구에서는 Se 나노결정의 고유한 키랄성 및 안정성을 활용하여, 원자 수준의 키랄 Se 나노막대(NR) 박막을 광대역 CPL 검출기로 도입한다. 또한 대면적 박막의 키로프토적 활성(chiroptical activity)을 탐색하기 위해 입사 원편광(ICP)-라만 광학 활성(ROA)을 수행한다. Se NRs 박막은 자외선(UV)부터 단파장 적외선(SWIR)에 이르는 광범위한 스펙트럼에서 CPL을 검출했으며, 감지율 비대칭 계수(responsivity dissymmetry factor)가 최대 0.4에 이르렀고, 대기 조건에서 13개월 이상 높은 안정성을 유지하였다. 고유한 키랄성을 갖는 CPL 감지 Se NRs는 키랄 포톤 소양신경(chiral photonic synapses), 키랄 스핀 소자, CPL 감지 광촉매에 대한 잠재적 응용을 지닌다. ICP-ROA 매핑은 또한 2차원 키랄 물질의 분석을 진전시키는 데 기여한다.

기능성 재료에 키랄리티(chirality)를 통합하면 이진 점등(켜기/끄기)을 넘어 빛-물질 상호작용을 제어할 수 있다. 기존의 포토액추에이터(photoactuator)는 이진 변조에 의존하므로 단방향 운동에 한정된다. 이에 반해, 우리는 원편광 원(CPL, circularly polarized light)의 키랄성(handedness)에 의해 구동 방향을 부호화하는 3진(ternary) 광학 논리 패러다임을 도입한다. 여기서 분자 키랄리티와 기계적 구동을 연결하는 키랄 Ti${}_3$C${}_2$T${}_x$ MXene 플랫폼을 구축한다. 페닐알라닌(phenylalanine) 에난티오머(enantiomer)는 키랄 나노페인팅(chiral nanopainting)을 통해 MXene 나노플레이크(nanoflake) 위에 공유결합으로 고정한다. 2차원 구속(confinement)은 리간드를 수직으로 정렬된 초분자(supramolecular) 네트워크로 강제한다. 층간 간격 분석과 시뮬레이션은 이러한 초분자 네트워크가 자외선부터 근적외선까지 이례적으로 넓은 대역의 원편광 이색성(circular dichroism, CD)을 가능하게 함을 뒷받침한다. 이러한 초분자 키랄리티는 MXene의 플라즈모닉(plasmonic) 특성과 시너지 효과를 발휘하여 손잡이(좌/우)에 따른 광열 변환을 유도하며, 매칭된 CPL과 불일치한 CPL 사이에 30%의 온도 상승 차이를 보인다. 이 키랄 MXene을 열반응성 하이드로젤(thermoresponsive hydrogels)에 내재화함으로써, 우리의 지식에 따르면, LCP/RCP/off를 3진 입력으로 사용하여 광열 메커니즘에 기반한 다방향 변형을 프로그래밍하는 최초의 CPL 구동 연성 액추에이터(soft actuator)를 구현한다. 분자-거대 규모 번역(molecular-to-macroscopic translation)은 키랄리티가 부호화된 연성 로보틱스(soft robotics)와 적응형 광자공학(adaptive photonics)을 위한 새로운 패러다임을 제시한다.

키랄리티 유도 스핀 선택성(CISS)은 강자성체나 외부 자기장 없이도 스핀 전류를 생성할 수 있게 하여, 혁신적인 스핀트로닉스 소자 설계를 가능하게 한다. 그 한 예로, 강자성 물질과 키랄 물질로 구성된 키랄 스핀 밸브(chiral spin valve)가 있으며, 이 경우 저항은 강자성체의 자화 방향과 키랄 물질의 키랄성(chirality) 모두에 의존한다. 지금까지 키랄 스핀 밸브는 주로 키랄 유기 분자를 활용해 왔으나, 이는 소자 응용에 제한이 있다. 무기 페로브스카이트의 성질과 키랄 유기 분자의 성질을 결합하는 키랄 페로브스카이트(chiral perovskites)는 CISS 기반 소자를 탐색하기에 탁월한 플랫폼을 제공한다. 그러나 기존의 키랄 페로브스카이트 기반 스핀 밸브는 저온에서만 자화저항(MR)을 보였다. 여기에서는 키랄 페로브스카이트/AlOx/수직 자기(Perpendicular) 강자성체(perpendicular ferromagnet) 구조로 이루어진 키랄 스핀 밸브에서 상온 자화저항을 보고한다. 키랄 MR이 온도 상승에 따라 증가하는 것이 관찰되며, 이는 본 소자에서 CISS에서의 스핀-궤도 결합이 음성(phonon) 유도에 의해 증강되는 핵심적 역할을 시사한다. 또한 증폭된 키랄성을 갖는 키랄 분자를 도입함으로써 키랄 MR을 향상시켰다. 이는 키랄리티 엔지니어링(chirality engineering)이 CISS 및 그에 연관된 키랄 MR을 개선하는 데 잠재력을 갖고 있음을 보여주며, 이를 통해 최첨단 스핀트로닉스 응용에 맞춘 키랄 스핀 밸브의 가능성을 열어준다.

키랄성은 자연계에 널리 존재하며 무기 나노소재를 포함한 다양한 물질의 성질을 좌우한다. 그러나 키랄성을 부여하는 물리화학적 제약으로 인해, 이전에 보고된 키랄 무기 물질은 소수의 조성에 제한되어 왔다. 본 연구에서는 다양한 무기 물질에 적용 가능한 키랄 나노페인트를 제시한다. 여러 금속 산화물 나노입자(NP)는 본 키랄 나노페인트로 코팅한 후에도 자기적 성질을 포함한 고유의 성질을 유지하면서 키로옵티컬(선광) 특성을 나타냈다. 자기성과 키랄성의 결합은 항암 고주파 온열치료와 같은 생의학적 기능성을 키랄 NP에 부여한다. 체외에서 d-나노페인트 처리된 산화철 NP는 l-나노페인트 처리된 산화철 NP에 비해 세포 내 섭취가 50% 이상 더 높았으며, 이는 세포 표면의 세포 수용체와 키랄 NP 간의 엔안티오특이적 상호작용에 기인한 것이었다. 체내에서는 d-나노페인트 처리된 산화철 NP가 종양에 대한 흡착이 향상됨에 따라 자기(자성) 고주파 온열에 의한 항암 효율이 l-나노페인트 처리된 산화철 NP보다 4배 더 우수함을 보였다. 이러한 키랄 나노입자는 내재적 물리적 성질과 외재적 엔안티오선택적 성질의 정교한 조합을 나타내 다양한 응용 분야에 활용될 수 있는 키랄 무기 생체재료의 잠재적 합성 전략을 제공할 수 있다.

원형 편광광(CPL)을 사용하는 광전자 소자는 효율적인 데이터 처리에 대해 향상된 감도와 특이성을 제공한다. 광학적 활성도가 강하고, 안정적이며, 감도가 높고, 다중 전이 밴드를 가지며, 환경 적합성을 갖춘 CPL 감지 매질에 대한 수요가 증가하고 있다. 여기서는 결함 공학이 적용된 키로페로자성( chiroferromagnetic ) 양자점(CFQDs)을 새로운 유형의 CPL 감지 물질로 사용한다. 키랄 분자를 통해 무정질화(amorphization) 결함을 유도함으로써, 높은 홀수 전자 밀도, 원자 수준의 구조적 키랄성, 증폭된 키로옵티컬(chirooptical) 활성, 그리고 다중 여기자(exciton) 전이 밴드를 갖는 CFQDs를 개발하였다. CFQDs는 선형적인 광학 입력으로부터 비선형적이고 장기적인 플라스틱 거동을 가능하게 하여, 노이즈를 20% 이상 감소시키는 in situ 잡음 필터로 작동한다. 또한 CFQDs는 광자 편광 및 파장 구분에 대한 통합(integration)을 9배 이상 향상시켜, 에너지 효율과 통합이 개선되고 보관 시간(retention time)이 감소한 차세대 프로세서를 위한 기반을 마련한다.

고굴절률 유전체 나노구조는 가시광 범위에서 강한 자기 및 전기 공명을 제공하면서도 낮은 광 손실을 나타내어, 빛 조작 기술에 활용하기 위한 연구 관심을 촉발하고 있다. 유전체 나노구조의 리소그래피 기반 제작은 패턴 치수에 대한 정밀한 제어를 가능하게 하지만, 비효율적인 제작 공정과 제한된 생산 수량으로 인해 실제 응용을 위한 확장성은 제한된다. 본 연구에서는 삼각형(Trigonal) Se로부터 제작된 브룸(broom)과 유사한 형상의 고굴절률 키랄(chiral) 유전체 나노구조에 대한 콜로이드 합성 방법을 시연한다. Se 나노브룸의 이방성 형태 및 결정 구조는 선형 및 원형 편광 산란 모두를 가능하게 하며, 또한 입자 축을 따라 스펙트럼 변화를 유도한다. 이는 저자들이 아는 한, 유전체 콜로이드 나노구조에서 이와 같은 거동을 관찰한 최초의 사례이다. 고산란을 보이는 Se NB 현탁액의 활용 가능성을 보여주기 위해, Se NB 잉크의 2D 및 3D 프린팅을 개념 증명 차원에서 시연한다. 본 접근법은 고굴절률 유전체 나노구조의 수계 분산액을 이용하여 빛을 조작할 수 있는 방법을 제공하며, 2D 및 3D에서 다양한 형태와 차원에 맞춰 적용할 수 있는 잠재력을 열어 광범위한 응용을 가능하게 한다.

탄소 원자는 적외선(IR) 파장 영역에서 광학 활성을 유도한다. 동시에 예컨대 IR 영역에서의 광학 활성을 이해하는 것은 생명과학 응용을 가능하게 하는데, 이는 IR 범위에서 여러 양식의 생체영상과 생체분자의 진동 광학 활성(VOA)이 알려져 있기 때문이다. VOA는 큰 자기 전이 모멘트(magnetic transition moments)로 인해 흡수 및 방출 양쪽의 양식에서 구현될 수 있으며, 이는 진동 원편광 이색성(VCD) 또는 라만 광학 활성(ROA) 분광법을 통해 실현된다. VOA 외에도, 더 긴 파장 영역에서는 키랄 결정과 나노어셈블리에서 격자 진동 모드 또는 포논적 거동이 나타나며, 이는 테라헤르츠 원편광 이색성(TCD) 분광법으로 손쉽게 검출할 수 있다. 한편, 키랄 자기조립은 공조립된 형광소(fluorophores)에서 키랄성이 존재하든 말든 원편광 발광(CPLE)을 유도할 수 있다. 자기조립된 키랄 물질로부터의 CPLE는 특히 흥미로운데, CPLE는 원편광 발광(circularly polarized luminescence)과 원편광 산란(circularly polarized scattering, CPS) 모두에서 기원할 수 있기 때문이다. 또한 자기조립 나노구조는 치수 및 공명 효과로 인해 그 구성 성분보다 더 강한 광학 활성을 나타내는 경우가 많으므로, 키랄 광학을 결합한 현미경 기술을 이용하여 단일 조립 나노구조의 광학 활성을 조사할 수 있다. 여기서는 다양한 포톤 파장에 걸친 키랄 나노소재의 종합적 분석을 위한 분광학적 방법의 최신 동향을 기술하되, 자기조직화된 계층적 키랄성을 갖는 재료 및 단일 입자 분광(single-particle spectroscopy)을 위해 새롭게 등장하는 도구들에 특히 주의를 기울인다.