3-dimensional plasmonic nanomotors enabled by independent integration of Optical Pulling and Lateral Forces

빛이 단순히 사물을 비추는 것을 넘어, 보이지 않는 손처럼 사물을 밀고 당기는 세상을 상상해 보십시오. 이것은 과학자들이 광자의 미세한 운동량을 이용해 미세한 물체를 움직이는 물리학의 한 분야인 광학 조작(optical manipulation)의 영역입니다. 여러분은 빛으로 만든 집게 쌍처럼, 매우 집중된 레이저 빔을 사용하여 작은 입자를 잡고 유지하는 "광학 집게(optical tweezers)"에 대해 들어보셨을 것입니다. 하지만 이러한 도구들은 보통 도달 거리가 짧고, 빛의 방향을 향해 물체를 당기는 데 어려움을 겪습니다. 즉, 물체를 밀어내는 데는 더 능숙합니다. 과학자들은 빛을 이용해 미세한 기계를 옆으로 움직이게 하는 방법은 알아냈지만, 빛의 자연스러운 밀어내는 힘에 맞서 빛의 경로를 따라 앞뒤로 이동하게 만드는 것은 오랫동안 풀리지 않는 난제였습니다. 이를 해결하는 것은 배터리나 전선 없이도 체내에서 유체를 항해하거나, 화학 물질을 섞거나, 화물을 운반할 수 있는 미세 로봇을 구축하는 데 있어 획기적인 변화를 가져올 것입니다.

이 연구에서 연구원들인 기예르모 세레라(Guillermo Serrera), 다나카 요시토(Yoshito Y. Tanaka), 파블로 알벨라(Pablo Albella)는 마침내 불가능한 일을 해낼 수 있는 이론적인 "나노 모터"를 설계했습니다. 바로 빛을 이용해 3차원으로 독립적으로 움직일 수 있는 것입니다. 그들은 특수한 레이저 빔에 의해 앞으로 끌려갈 수 있는 작은 원통형 유리 배를 만들었으며, 동시에 다른 종류의 빛을 통해 왼쪽이나 오른쪽으로 조종할 수 있게 해주는 작은 금속 "돛"을 부착했습니다. 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이 설계가 작동함을 증명했으며, 빛의 색상이나 편광을 바꾸는 것만으로도 이 모터가 끌려가거나, 밀려나거나, 혹은 조종될 수 있음을 보여주었습니다. 가장 중요한 점은, 이 작은 배가 놀라울 정도로 안정적이라는 것입니다. 물 분자의 무작위한 흔들림으로 인해 배가 흔들리거나 경로를 벗어나더라도, 빛의 힘이 배를 부드럽게 경로로 다시 안내하여 긴 거리 동안 매끄럽게 이동할 수 있게 해줍니다.

보이지 않는 줄다리기

이 나노 모터가 어떻게 작동하는지 이해하기 위해, 박테리아 크기 정도의 작은 유리 원통이 물 위에 떠 있는 모습을 상상해 보십시오. 보통 우리가 손전등을 비추면, 빛은 물체에 부딪혀 반사되고 그 물체를 밀어냅니다. 이것이 이해하기 쉬운 빛의 "미는" 힘입니다. 하지만 과학자들은 빛이 배를 잡아 광원을 향해 끌어당기는 "당기는" 힘을 만들고자 했습니다. 이는 직관에 어긋나는 일입니다. 마치 손전등을 비춤으로써 썰매를 자신 쪽으로 끌어당기려는 것과 같습니다.

이를 달성하기 위해 연구진은 **방위각 편광 베셀 빔(azimuthally polarized Bessel beam)**이라는 특수한 레이저 빔을 사용했습니다. 일반적인 손전등 빔을 단단한 원뿔 형태의 빛이라고 상상해 보십시오. 베셀 빔은 다릅니다. 그것은 빛의 고리처럼 보이며 중심부는 어둡고, 퍼지지 않고 먼 거리까지 이동할 수 있습니다. 이 특정한 고리 모양의 빔이 유리 원통에 부딪히면 마법 같은 일이 일ELD립니다. 빛이 유리 내부로 들어가 파이프 안의 파동처럼 내부를 휘돌며, 빛이 "콜리메이션(collimation)"되거나 직선화되는 방식으로 빠져나옵니다. 이러한 빛의 방향 변화는 반작는 효과(recoil effect)를 만들어내어 원통을 레이저 쪽인 뒤쪽으로 끌어당깁니다. 연구팀은 이 작업이 가장 잘 작동하려면 원통의 길이와 너비가 특정되어야 하며, 레이저가 특정 각도로 충돌해야 한다는 것을 발견했습니다. 시뮬레이션 결과, 길이 3마이크로미터, 직경 1.77마이크로미터의 원통은 -1.2 피코뉴턴(피코뉴턴은 1조 분의 1 뉴턴으로, 상상하기 힘들 정도로 작지만 이토록 작은 물체에게는 거대한 힘입니다)의 힘으로 끌어당길 수 있었습니다.

조종용 돛

이제 이 유리 원통이 배라고 상상해 보십시오. 하지만 이 배는 앞뒤로만 움직일 수 있습니다. 그렇다면 어떻게 왼쪽이나 오른쪽으로 회전하게 만들까요? 연구진은 두 번째 기술 계층인 **플라즈모닉 다이머(plasmonic dimers)**를 추가했습니다. 이것은 유리 원통 내부에 삽입된, 미니어처 노(oar) 모양의 아주 작은 금 막대 쌍입니다.

이 금 막대를 바람이 특정 방향에서 불 때만 바람을 받는 돛이라고 생각하십시오. 연구진이 표준적인 평면파(plane wave)를 나노 모터에 비추면, 금 막대들이 빛을 불균일하게 산란시킵니다. 만약 빛이 한 방향으로 편광되어 있다면, 막대들이 배를 옆으로 밀어냅니다. 만약 빛의 편광을 회전시키면, 배는 반대 방향으로 조종됩니다. 연구팀은 이 막대들이 약 0.1 피코뉴턴의 횡력을 생성할 수 있다고 시뮬레이션했으며, 이는 물 분자의 무작위한 흔들림(브라운 운동)을 극복하고 배를 안정적으로 움직이기에 충분한 힘입니다.

이 설계의 영리한 점은 이 두 시스템이 서로 방해하지 않는다는 것입니다. 금 막대는 앞을 향해 끌어당기는 데 사용되는 특수한 베셀 빔에 대해 수직으로 배치되어 있습니다. 이는 끌어당기는 빔이 막대를 작동시키지 않고 그대로 통과하여, 배가 막대의 방해 없이 앞으로 끌려갈 수 있음을 의미합니다. 반대로, 조종을 위해 평면파를 사용할 때는 끌어당기는 메커니즘을 방해하지 않습니다. 이는 마치 자동차를 앞으로 달리게 하는 엔진과 자동차를 회전시키는 별도의 핸들이 있고, 둘 다 서로 다른 열쇠로 제어되는 것과 같습니다.

흔들리는 세상 속의 안정성

미세한 기계가 직면한 가장 큰 과제 중 하나는 안정성입니다. 물속에서는 물체들이 끊임없이 서로 부딪히고 흔들립니다. 만약 빛의 빔이 중심에서 약간 벗어나거나 배가 기울어진다면, 배는 길을 잃게 될까요? 연구진은 자신들의 나노 모터가 시간이 지남에 따라 어떻게 행동할지 확인하기 위해 수천 번의 컴퓨터 시뮬레이션을 수행했습니다.

그들은 이 시스템이 믿기지 않을 정도로 견고하다는 것을 발견했습니다. 배가 빔의 중심에서 150200나노미터 정도 벗어나거나 최대 20도까지 기울어지더라도, 빛의 힘이 부드러운 스프링처럼 작용하여 배를 중심을 향해 밀고 돌려놓습니다. 시뮬레이션에 따르면 배는 빔의 중심 주변에서 앞뒤로 진동하겠지만, "끌림 구역(pulling zone)" 안에 머물게 됩니다. 1초 동안의 시뮬레이션에서 나노 모터는 약 1118마이크로미터의 거리를 이동했습니다. 이는 짧게 들릴 수 있지만, 배 자체의 길이보다 훨씬 긴 거리이므로 그 크기에 비해 꽤 빠른 속도로 이동하고 있음을 의미합니다.

연구팀은 또한 배의 움직임이 매우 안정적이어서 물의 무작위한 혼돈 속에서도 경로를 이탈하지 않는다는 점에도 주목했습니다. 빛의 힘에 의해 형성된 "퍼텐셜 우물(potential wells)"은 열적 흔들림(thermal jiggling) 에너지보다 10배 이상 깊어 배를 궤도에 유지시켜 줍니다. 이는 실제 상황에서 이 나노 모터들이 랩온어칩(lab-on-a-chip) 장치 내에서 유체를 섞거나 화물을 옮기는 등의 작업을 수행할 만큼 신뢰할 수 있음을 시사합니다.

이것이 의미하는 바

이 논문은 단순히 멋진 아이디어를 제시하는 데 그치지 않고, 모든 방향에서 독립적으로 제어 가능한 3D 나노 모터에 대한 상세한 이론적 청사진을 제공합니다. 연구진은 끌어당기는 힘을 얻기 위해 복잡한 단거리 빔이나 내부 기포가 필요하다는 생각을 명시적으로 부정했습니다. 대신, 단순한 유리 원통과 특정한 레이저 빔만으로도 그 역할을 수행할 수 있음을 보여주었습니다. 또한 조종 능력을 얻기 위해 끌어당기는 힘을 희생할 필요가 없다는 것도 입증했습니다. 두 기능은 동일한 작은 물체 안에서 공존할 수 있습니다.

현재 이 연구는 시뮬레이션 단계이며 아직 실험실에서 실제로 제작되지는 않았지만, 제안된 재료들(유리, SU-8, 또는 산화알루미늄 등)과 제조 기술(전자빔 리소그래피 등)은 오늘날 과학자들이 이미 수행할 수 있는 것들입니다. 저자들은 적절한 설정만 갖춰진다면, 이 설계가 빛이 엔진이자 핸들로서 작용하여 복잡한 유체 속을 항해하는 미세 로봇의 새로운 시대를 열 수 있을 것이라고 확 enough 확신하고 있습니다.