빛으로 구동되는 마이크로-운송차량 (영상)

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-10-02 19:51:51
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* 빛만으로 운전하고 조종할 수 있는 소형 차량을 제작, 화물 운송도 가능
* 길이가 10μm, 두께가 1μm에 불과한 "메타비클"의 핵심은 메타 표면
* 빛이 메타 구조에 부딪혀 새로운 방향으로 굴절될 때 이 충격이 메타 표면을 다른 방향으로 움직이는 원리 이용
* 가능한 응용 프로그램은 예를 들어 세포 또는 기타 미세 물체의 제어된 수송이 될 것

빛(light)으로 구동되는 마이크로-운송차량 
메타 구조는 빛을 통해서만 "메타 차량"을 이동하고 제어 가능하게 만든다.


놀랍도록 간단하다.
연구원들은 빛만으로 운전하고 조종할 수 있는 소형 차량을 제작했으며 심지어 화물을 운반할 수도 있다. 크기가 수 마이크로미터에 불과한 조각은 표면에 메타 구조를 갖고 있어 편광에 따라 빛을 다르게 굴절시킨다. 전문 잡지 "Nature Nanotechnology"의 팀에 따르면 이것은 "메타 차량"을 원하는 방향으로 이동시키고 미세 수송에서 광범위한 응용을 가능케 할 수 있다고 한다. 

▲ 연구원들은 미세 물체 또는 여기에서와 같이 앞에 있는 세포를 밀어낼 수 있는 빛 구동 "메타비클"을 구성했다.

© Denis Baranov / Chalmers University of Technology


빛과 기타 방사선은 물체를 움직이는 것을 포함하여 다양한 방식으로 물질과 상호 작용할 수 있다. 가장 간단한 경우, 이것은 실험용 미니 우주선의 가벼운 돛과 같이 순수한 복사 압력을 통해 발생한다. 화학 분자의 광 유도 여기(excitation)는 나노 기어와 심지어 작은 "잠수함"을 구동하는 데에도 사용될 수 있다.

운전 보조 장치로서의 메타 구조

Gothenburg에 있는 Chalmers University of Technology의 Daniel Andrén이 이끄는 연구원들은 최근 라이트(light) 드라이브의 또 다른 변형을 개발했다. 길이가 10μm(마이크로미터)이고 두께가 1μm에 불과한 "메타비클"의 핵심은 메타 표면이다.

▲ 메타 차량이 움직이는모습(아래 영상 스냅 샷)
▲ 메타 차량이 세포를 밀어 내는 모습이다.

즉, 특정 방식으로 입사광을 변경하고 굴절시키는 나노구조다.
이러한 메타 구조는 예를 들어 레이저 빔을 맞춤형 코르크 마개 나사로 변환하거나 홀로그램 비디오를 만들 수 있다.

반대로, 입사광의 조작은 메타구조에도 영향을 미친다.
"빛과 물질 사이에는 선형 및 각운동량의 교환이 있다"고 연구원들은 설명한다. "뉴턴의 제3법칙에 따르면 빛이 메타 구조에 부딪혀 새로운 방향으로 굴절될 때 이 충격이 메타 표면을 다른 방향으로 움직인다는 것을 의미한다."
연구원들은 이 효과를 이용한 것이다.

빛의 속성은 속도와 방향을 결정

새로운 라이트 드라이브의 하이라이트는 메타 구조의 특별한 디자인이다.
이것은 실리콘 디스크에 행으로 서 있는 나노미터 크기의 이산화규소 기둥으로 구성된다. 약한 빛으로도 전체 구조를 한 방향으로 움직일 수 있도록 나노 기둥의 크기와 배열을 조정했다. 빛의 강도가 강할수록 차량이 더 빨리 움직인다.

반면에 제어는 입사광의 편광을 통해 발생한다.

▲ 메타 차량은 빛의 강도와 편광을 변경해 제어된다.© Burke et al. / PNAS


빛의 진동 방향이 변경되면 메타 구조의 굴절 각도와 구동력의 방향에 영향을 미친다.
그 결과, 메타 차량은 팀이 설명하는 것처럼 왼쪽이나 오른쪽으로 방향을 틀거나 유턴하거나 원을 그리며 주행한다.

미니 페리로서의 메타차량

실제로 얼마나 잘 작동할까?
Andrén과 그의 동료들은 물이 담긴 페트리 접시에 metavehicle을 배치하여 이것을 테스트했다. 그들이 느슨하게 초점을 맞춘 레이저 빔으로 구조물을 조사했을 때, 지상에 누워 있던 메타 차량이 즉시 움직이기 시작했다. 레이저 빔을 조작함으로써 연구자들은 메타 차량이 표적 방식으로 다양한 복잡한 경로를 따라 이동하도록 할 수 있었다. Andrén은 "메타 차량은 안정적이었고 탐색이 매우 예측 가능하고 제어 가능했다”고 말했다.

그뿐 아니라, 작은 페리는 다른 물체를 앞에 있는 다른 물체를 밀어서 수송기 역할을 할 수도 있다. 작은 폴리스티렌 구슬과 살아있는 효모 세포 외에도 메타 차량은 자신보다 15배 더 큰 페트리 접시를 통해 먼지 한 점을 밀어 넣었다.

<이것이 빛으로 제어되는 메타 차량이 작동하는 방식이다. © 차머스 공과대학교>


다양한 응용 가능성

과학자들에 따르면, 이것은 메타 구조가 미세 물체를 찾고 제어하는 ​​데 사용될 수 있음을 보여준다. "우리는 빛의 도움으로 표면을 가로질러 자유롭게 이동하고 편광을 제어하여 제어할 수 있는 메타 차량을 구성하는 것이 가능하다는 것을 보여 줬다"며 "고급 피드백 시스템과 광원의 강도와 편광에 대한 더 나은 제어를 통해 움직임의 복잡성이 더욱 증가할 수 있다”고 기술했다.

이러한 메타 차량에 대한 가능한 응용 프로그램은 예를 들어 세포 또는 기타 미세 물체의 제어된 수송이 될 것이다. 그러나 메타 구조의 도움으로 새로운 분자 센서, 광학 핀셋 및 그리퍼 또는 기타 광 제어 기기를 구성할 수도 있다.
(Nature Nanotechnology, 2021; doi: 10.1038/s41565-021-00941-0)

출처: Chalmers University of Technology

[더사이언스플러스]

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