Non-reciprocal torques guide self-assembly of active particles into clusters with controllable function
이 논문은 비가역적 회전 토크가 인력 없이도 능동 입자들을 정지, 회전 또는 이동과 같은 제어 가능한 운동을 갖는 기능적 콜로이드 클러스터로 신속하고 "적시(just-in-time)"에 자기 조립할 수 있게 하며, 확률적 리셋팅이 느린 경로를 피함으로써 자기 조립 과정을 더욱 가속화한다는 것을 입증한다.
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손을 쓰지 않고도 레고 성을 쌓을 수 있는 세상을 상상해 보십시오. 대신, 테이블 위에 브릭을 쏟아붓기만 하면 그것들이 마법처럼 스스로 완벽한 탑 모양으로 착착 달라붙는 것입니다. 이것이 바로 자연이 바이러스부터 세포막에 이르기까지 모든 것을 만드는 데 사용하는 개념인 '자기 조립(self-assembly)'의 꿈입니다. 하지만 여기에는 함정이 있습니다. 보통 이러한 자기 조립 부품들은 정적인 레고 브릭처럼 수동적이라는 점입니다. 형태를 만들 수는 있지만, 아무것도 '할' 수는 없습니다. 그들은 헤엄칠 수도, 회전할 수도, 행진할 수도 없습니다. 실제로 작동하는 아주 작은 기계를 만들기 위해서는 부품들이 '능동적'이어야 합니다. 즉, 주변을 움직일 수 있는 자체적인 내부 엔진을 가지고 있어야 한다는 뜻입니다. 과학자들이 직면한 큰 과제는 이렇습니다. 어떻게 하면 이 에너지가 넘치고 움직이는 부품들이 단순히 서로 결합할 뿐만 아니라, 특정 작업을 수행하기 위해 정확히 올바른 방향으로 정렬되도록 만들 것인가 하는 점입니다. 만약 이들이 무작위로 조립된다면, 당신이 보트를 원했을 때 회전하는 팽이가 생기거나, 달리는 기계를 원했을 때 멈춰 있는 덩어리가 생길 수도 있습니다.
이 논문은 표면 위를 빠르게 움직이는 '능동적 입자(active particles)'를 사용하여 이 문제에 대한 영리한 해결책을 탐구합니다. 연구진은 끈적한 풀(인력) 없이도 입자들이 클러스터(군집)를 형성하게 만드는 방법을 발견했습니다. 그들은 특별한 규칙을 사용했습니다. 입자가 이웃을 발견하면, 자신의 면을 그 이웃 쪽으로 향하도록 살짝 밀어주는 것입니다. 마치 공원에서 걷고 있는 친구들이 서로를 바라보기 위해 끊임없이 고개를 돌리는 것과 같습니다. 이 '나를 봐달라는' 힘이 그들을 한데 모으는 역할을 합니다. 하지만 여기서 마법이 일어납니다. 모두가 이웃을 향해 몸을 돌리기 때문에, 그들의 방향은 특정한 패턴으로 고정됩니다. 이 패턴이 전체 집단이 무엇을 할지를 결정합니다. 만약 집단이 삼각형 모양을 이루면 가만히 있을 수 있고, 셰브론(V자) 모양을 이루면 앞으로 질주할 수 있으며, 평행사변형 모양을 이루면 원을 그리며 회전할 수 있습니다. 클러스터의 모양이 기능적인 형태를 결정하며, 연구진은 '회전'하는 힘의 강도를 조절함으로써 이를 제어할 수 있다는 것을 발견했습니다.
연구팀은 또한 속도 문제도 다루었습니다. 때때로 이 입자들은 직선 경로가 가능한 상황에서도 미로를 통과하는 것처럼 느리고 비효율적인 방식으로 조립 과정에 갇히기도 합니다. 이를 해결하기 위해 연구진은 '확률적 리셋(stochastic resetting)'이라는 기술을 도입했습니다. 몇 초마다 입자의 엔진과 회전 능력을 잠시 끄고, 입자들이 무작별로 흩어지게 한 뒤 다시 전원을 켜는 것을 상상해 보십시오. 이는 직관에 어긋리는 것처럼 들릴 수 있지만, 실제로 도움이 됩니다! 시스템을 흔들어줌으로써 입자들이 느리고 막힌 경로에서 벗어나 조립을 위한 빠르고 효율적인 경로를 찾을 수 있는 새로운 기회를 주는 것입니다. 시뮬레이션 결과, 이 '리셋' 버튼은 입자들이 약 3.5배 더 빠르게 조립되도록 만들었습니다.
연구진은 단 한 가지 유형의 기계만을 만든 것이 아닙니다. 그들은 입자의 수나 회전력의 강도를 바꿈으로써 클러스터가 서로 다른 일을 하도록 프로그래밍할 수 있음을 보여주었습니다. 예를 들어, 6개의 입자로 구성된 그룹의 경우, 클러스터는 정지된 삼각형, 회전하는 평행사변형, 또는 이동하는 셰브론 사이를 전환할 수 있습니다. 더욱 놀라운 점은, 셰브론 모양이 대장균(E. coli)과 같은 박테리아의 '런 앤 텀블(run-and-tumble, 달리고 구르기)' 동작을 흉내 낼 수 있다는 것입니다. 이들은 직선으로 질주하다가(run), 갑자기 방향을 바꾸기 위해 형태를 재구성한 뒤(tumble), 다시 질주합니다. 이것은 일회성 트릭이 아니었습니다. 입자들은 이 상태들 사이를 반복해서 전환할 수 있었습니다.
이 논문은 비가역적 토크(‘상대를 향해 도는’ 밀어내는 힘)를 사용하는 것이 제어 가능한 기능을 가진 '콜로이드 미세 기계'를 빠르게 제작할 수 있게 해준다는 것을 입증합니다. 현재 결과는 컴퓨터 시뮬레이션을 기반으로 하고 있지만, 이 발견은 미세 물질을 설계하는 강력한 새로운 방법을 제시합니다. 방향을 운에 맡기는 끈적한 힘에 의존하는 대신, 우리는 능동적인 회전 규칙을 사용하여 우리가 원하는 대로 조립되고, 특정 작업을 수행하며, 작업이 끝나면 잠재적으로 분해될 수 있는 기계를 만들 수 있습니다. 이는 우리가 눈으로 볼 수 없는 규모에서 스스로 조립하여 구축하고, 수리하고, 탐사하는 작은 로봇들을 프로그래밍할 수 있는 미래를 향한 한 걸음입니다.
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