Control of collective activity to crystallize an oscillator gas

먼지 입자나 박테리아처럼 아주 작은 것들이 자신만의 내부 에너지를 품고 끊임없이 꿈틀거리는 세상을 상상해 보세요. 물리학의 세계에서 과학자들은 이를 '활성 물질(active matter)'이라고 부릅니다. 보통 과학자들은 이 바쁜 입자들을 마치 과잉 행동을 하는 유아처럼 가정하고 연구합니다. 즉, 주변 환경에 상관없이 일정한 속도로 뛰어다니며 서로 부딪히고, 소용돌이치는 폭풍이나 행진하는 무리 같은 기괴한 패턴을 만들어낸다고 가정하는 것이죠. 이는 '운동 유도 상분리(motility-induced phase separation)'라고 알려져 있는데, 입자들이 밀집될수록 움직임이 느려져 마치 사람들이 엉켜서 움직이지 못하는 모쉬 피트(mosh pit)처럼 뭉치게 되는 현상을 말합니다.

하지만 만로 이 입자들이 더 똑똑하다면 어떨까요? 만약 이들이 에너지를 아껴두었다가 친구와 실제로 상호작용할 때만 사용하는 방식이라면요? 자연은 이 방식을 늘 사용합니다. 예를 들어, 먹잇감 동물은 에너지를 아끼기 위해 가만히 있다가 포식자가 가까이 오면 그제야 슝 하고 도망칩니다. 과학자들은 이처럼 '에너지를 아끼는' 입자들이 모였을 때 어떤 일이 벌어지는지 궁금해해 왔습니다. 집단이 혼란스러운 엉망진창이 될까요, 아니면 스스로를 조직화할 수 있을까요? 이것이 바로 핵심 질문입니다. 개별적으로는 움직일 수 없는 존재들이 모여 있는 군집이, 단지 서로 근처에 있다는 이유만으로 갑자기 마라톤을 하기로 결심할 수 있을까요?

튀어 오르는 금속 공의 이야기

최근 라이덴 대학교의 연구진은 그 답을 찾기 위해 작고 튀어 오르는 세상을 구축하기로 했습니다. 그들은 박테리아나 로봇을 사용하지 않았습니다. 대신 기름 속에 떠 있는 1밀리미터 크기의 단순한 강철 공을 사용했습니다. 여기서 트릭은 이 공들이 스스로 움직이도록 프로그래밍된 것도 아니고, 살아있는 것도 아니라는 점입니다. 사실, 이 공 하나를 기름에 넣고 전기장을 켜면, 공은 두 개의 금속판 사이에서 작은 폼폼이처럼 위아래로 진동하며 제자리에 가만히 있을 뿐입니다. 이것은 '자기 유지 진동자(self-sustained oscillator)'이지만, 제자리에서 움직이지 못하는 상태입니다. 위아로 튀어 오르는 데는 많은 에너지를 저장하고 있지만, 좌우로 움직일 에너지는 전혀 없는 상태죠.

마법은 이 공들을 한데 모았을 때 일어납니다.

연구진은 이 강철 공들로 공간의 약 9%를 채웠습니다. 그러자 갑자기 공들이 단순히 제자리에서 진동하는 것을 넘어, 마치 과잉 행동하는 원자들의 가스처럼 용기 안을 질주하기 시작했습니다. 이것이 바로 연구팀이 '집단적 활동(collective activity)'이라고 부르는 현상입니다. 이 공들은 설계상 움직일 수 없는 존재였음에도 불구하고, 함께 모이자 움직이는 혼돈의 가스가 되었습니다.

그들은 어떻게 움직이게 되었을까요?
공들이 위아 아래로 튀어 오르는 동작 안에 '배터리'를 가지고 있다고 생각해 보세요. 두 공이 충돌할 때 기묘한 일이 일어납니다. 이 충돌은 '초탄성(super-elastic)'적입니다. 마치 고무공을 벽에 던졌는데 던졌을 때보다 더 빠르게 튀어 돌아오는 것과 같습니다. 이 경우, 두 공이 서로 부딪히면 수직 방향의 '튀어 오르는 에너지'를 수평 방향의 '질주 에너지'로 전달합니다. 한 공이 다른 공을 치면, 갑자기 두 공 모두 옆으로 튀어 나갑니다. 공들이 더 밀집될수록 더 많이 부딪히고 더 많은 에너지를 교환하게 되며, 조용히 진동하던 구체 집단을 거칠게 소용돌이치는 가스로 변화시킵니다.

연구진은 이 가스가 일반적인 뜨거운 가스와 매우 다르게 행동한다는 것을 발견했습니다. 일반적인 가스에서는 열이 물체를 움직이게 합니다. 하지만 여기에는 열이 없습니다. 움직임은 전적으로 공들이 저장된 튀어 오르는 에너지를 서로에게 '소비'함으로써 발생합니다. 공의 속도는 얼마나 빨리 위아래로 튀어 오르는지에 달려 있습니다. 전기장을 높여 공들을 더 빨리 튀어 오르게 하면 전체 가스의 속도도 빨라지지만, 움직임의 패턴은 그대로 유지됩니다. 이는 충돌을 통해 스스로 '온도'를 만들어내는 시스템입니다.

비결: 동기화(Synchronization)
그런데 왜 이들은 서로 부딪히는 걸까요? 연구진은 공들에게 비밀스러운 언어가 있다는 것을 발견했습니다. 바로 '동기화'입니다. 충돌하기 전, 공들은 서로의 튀어 오름을 조율하기 시작합니다. 그들은 서로 정확히 반대되는 리듬(한 명은 올라가고, 다른 한 명은 내려가는 상태)을 갖추게 됩니다. 공들이 금속판에 부딪힐 때 전하를 띠는 방식 때문에, 이러한 '반대 위상' 상태가 되면 서로 전기적으로 끌리게 됩니다. 서로를 끌어당겨 충돌한 뒤, 그제야—퍽—저장된 에너지를 방출하며 멀리 질주하는 것입니다.

혼돈 길들이기: 가스에서 결정체로
이 이야기에서 가장 흥ante한 부분은 과학자들이 이 혼돈을 어떻게 통제했는가 하는 점입니다. 연구진은 만약 공들이 저 '반대 위상'의 리듬에 빠지는 것을 막을 수 있다면, 충돌도 멈출 수 있다는 것을 깨달았습니다. 이를 위해 그들은 일정한 전기장 대신 빠르게 깜빡이는 전기장을 사용했습니다.

음악의 템포가 매 초마다 바뀌는 상황에서 사람들이 특정 패턴에 맞춰 춤을 추도록 시도한다고 상상해 보세요. 동기화하기가 매우 어렵습니다. 전기장을 적절한 속도(초당 약 24 라디안)로 깜빡이게 함으로써, 연구진은 공들의 동기화 능력을 깨뜨렸습니다. 동기화가 되지 않으니 서로 끌어당기지 않았습니다. 끌어당기지 않으니 충돌하지 않았습니다. 충돌하지 않으니 에너지를 방출하며 질주할 수도 없었습니다.

그 결과는 어땠을까요? 거칠고 혼란스러웠던 가스는 순식간에 완벽하고 질서 정연한 결정체로 얼어붙었습니다. 공들은 깔끔한 삼각형 격자 구조로 줄을 맞추어, 서로 충돌하지 않고 제자리에서 부드럽게 진동할 뿐이었습니다. 연구진은 몇 초 만에 이 상태를 왔다 갔다 할 수 있었습니다: 전기장을 한 방식으로 깜빡이면 혼돈의 가스가 되고, 다른 방식으로 깜빡이면 완벽한 결정체가 됩니다.

이것이 중요한 이유
이 논문은 복잡하게 미리 프로그래밍된 로봇 없이도 질서를 만들어낼 수 있다는 것을 보여줍니다. 그저 서로 반응할 수 있는 단순한 부품들만 있으면 됩니다. 이러한 '에너지를 아끼는' 입자들이 어떻게 상호작용하는지 이해함으로써, 과학자들은 물질을 제어하는 새로운 방법을 찾아냈습니다. 그들은 밀집도와 활성도 사이의 양(+)의 관계가 어떻게 놀라운 새로운 물질의 상태를 이끌어낼 수 있는지 증명했습니다. 이는 때때로 군중을 조직화하는 가장 좋은 방법은 그들에게 무엇을 하라고 명령하는 것이 아니라, 그들이 자연스럽게 질서에 따를 수 있도록 게임의 규칙을 바꾸는 것임을 상기시켜 줍니다.