2분 30초 읽기
나노입자는 편광의 방향과 반대방향으로 회전.
광 구동 나노 펌프 또는 입자의 자동 분류 나노 기술에서 실질적인 응용 가능.

빛으로 구동되는 나노 머신
편광은 나노 입자를 자체 조직적으로 ‘기어’로 배열하고 회전시킨다.

연구자들이 빛만으로 결합되고 움직이는 나노 머신을 개발했다.
이것은 편광된 레이저 광에서 일종의 바퀴 모양으로 배열된 다음 광선의 회전 방향과 반대 방향으로 돌아가는 은 나노 입자로 구성된다. 이 빛으로 구동되는 나노 머신은 나노 기술적인 구조 설계에 새로운 길을 열 수 있다.

▲ 편광된 레이저 빛의 영향을 받아 이 나노 입자는 규칙적으로 배열되고 빛의 회전 방향과 반대로 회전한다. © Norbert F. Scherer/ University of Chicago

빛은 다양한 방식으로 물질에 영향을 미친다.
예를 들어 알버트 아인슈타인은 이미 빛이 원자에서 전자를 떨어 뜨리거나 더 높은 에너지 수준으로 올릴 수 있다는 것을 인식했다. 편광은 나노 입자를 움직일 수 있도록 각운동량을 실행시킨다. 대규모로 강력한 레이저 혹은 태양의 복사압은 우주에서 빛을 앞으로 나아가게 할 수 있다.

회전하는 빛이 구동자

시카고 대학의 존 파커(John Parker)와 그의 동료들은 최근 빛의 힘이 나노 기술에서 실제로 어떻게 사용될 수 있는지 실험했다.
그들은 직경 150nm(나노 미터)의 은 나노 입자를 물에 넣은 다음 약 600nm 파장의 원형 편광 레이저 빔을 입자로 향하게 했다. 이 레이저의 빛은 한 평면에서만 진동하지만 방향은 지속적으로 회전한다.

하이라이트 :
연구원들은 특정 나노 입자가 이 ‘회전하는’ 빛에 반응한다는 것을 이미 일찍이 확인했다. 광자는 나노 입자가 광자의 편광 방향에 대해 반대로 회전하도록 한다.
빛은 물체에 음(-)의 회전운동량을 가하고 기어처럼 한 방향으로 회전하면 작은 나노 로터가 다른 방향으로 회전한다.

레이저 광을 통한 자기(self) 조직화

Parker와 그의 동료들은 한 단계 더 나아갔다.
그들의 실험에서 빛은 개별 나노 입자를 움직일 뿐만 아니라 입자들을 결합해 작은 기계를 형성해야 하기 때문이다.
Parker의 동료 노버트 쉐러(Norbert Scherer)는 "이를 통해 우리는 실내 온도 액체와 같은 일반 환경에서 작동하는 자가(self) 구성 나노 머신을 구축하는 하나의 긴 줄을 따랐다”고 설명했다.

▲ 빛으로 구동되는 나노 머신은 기어 트레인처럼 작동한다. 바퀴 (빛)가 한 방향으로 회전하면 바퀴가 반대 방향으로 돌아간다. © Norbert F. Scherer/ University of Chicago

그리고 실제로 연구자들이 레이저를 켰을 때 물속의 은 나노 입자가 마치 마술처럼 질서 정연한 구조로 합쳐지기 시작했다. 레이저 트랩과 유사하게 광선은 무질서하게 떠다니는 나노 입자를 분류하여 상호 반응하는 구조로 결합하는 일종의 장을 생성했다.

빛으로 구동되는 나노 머신

이것은 일종의 나노 머신을 생성한다.
이러한 결합된 나노 입자가 여전히 편광된 레이저 광에 노출되면, 그들은 조정되고 방향적인 방식으로 회전하기 시작한다.
Scherer는 “기계를 조립하는 데 필요한 에너지와 움직이는 힘 모두 빛에서 나온다. 레이저가 나노 입자 용액을 겨냥하면 전체 프로세스가 저절로 완전히 실행된다"고 설명했다.

빛이 나노 머신을 얼마나 효과적으로 돌릴 수 있는지는 실험에서 보여준 것처럼 관련된 나노 입자의 수에 따라 달라진다. 8개의 나노 입자로 구성된 앙상블이 7개로 구성된 앙상블보다 더 효율적인 것으로 밝혀졌다.

연구원은 "사용자가 나노 머신의 자체 구성을 능동적으로 제어할 필요가 없더라도 그렇게 할 수 있으며 특수 응용 분야에 맞게 크기와 회전을 조정할 수 있다"고 말했다.

나노 펌프 및 입자 분류기

과학자들에 따르면, 이러한 나노 머신은 예를 들어 광 구동 나노 펌프 또는 입자의 자동 분류와 같은 나노 기술에서 실질적인 응용을 찾을 수 있다.
Parker와 그의 동료들은 이미 여러 ‘기어’를 서로 결합하고자 하는 광 구동 나노 머신의 더 크고 복잡한 버전을 연구하고 있다.
(Optica, in press, doi : 10.1364 / OPTICA.396147)

출처 : The Optical Society

[더사이언스플러스=문광주 기자] "no science, no future"

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]