Collective dynamics of chemo-mechanical colloidal chains with active tips

미시 세계에는 '액티브 매터(active matter)'라고 알려진 물질군이 존재합니다. 외부에서 가해지는 힘이 없으면 가만히 머물러 있는 모래 더미나 물방울과는 달리, 액티브 매터는 스스로 움직이는 아주 작은 입자들로 구성되어 있습니다. 흔히 '스위머(swimmer, 헤엄치는 입자)'라고 불리는 이 입자들은 주변 환경으로부터 에너지를 소비하여 앞으로 나아갑니다. 이들을 충분히 많이 모아 놓으면 단순히 무작위로 움직이는 것이 아니라, 서로 조율하기 시작합니다. 이들은 일제히 움직이는 거대한 흐름을 형성하거나, 밀집된 덩어리와 빈 공간으로 분리되기도 하며, 혹은 찻잔 속의 폭풍처럼 혼란스럽게 소용돌이치는 흐름을 만들어내기도 합니다. 과학자들은 오랫동안 이 집단이 어떻게 형성되는지 연구해 왔으며, 주로 입자들이 서로 충돌하는 방식이나 입자들이 헤엄치는 유체가 입자를 밀어내는 방식에 초점을 맞추어 왔습니다. 그러나 새로운 한 연구는 물리적 접촉이나 유체의 흐름 없이, 오로지 화학적 신호에 의해 발생하는 전혀 다른 종류의 상호작작용을 탐구합니다.

인도 공과대학교 마드라스 캠퍼스의 아르빈 고팔 수브라마니암(Arvin Gopal Subramaniam)과 라제쉬 싱(Rajesh Singh) 연구진은 특정한 형태의 액티브 물질을 조사했습니다. 바로 아주 작은 구슬들이 사슬 형태로 연결된 구조인데, 이 사슬의 맨 끝부분에만 화학적으로 활성화된 부분이 있는 형태입니다. 구슬로 된 줄을 상상해 보되, 오직 첫 번째 구슬만이 주변에 장(field)을 생성하는 화학 반응을 일으킬 수 있다고 가정해 보십시오. 이 장은 다른 사슬들이 느낄 수 있는 신호 역할을 합니다. 연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 이 사슬들이 평평한 2차원 공간에 놓였을 때 어떻게 행동하는지 관찰했습니다. 그들은 두 가지 주요 변수를 변화시켰는데, 바로 사슬의 길이와 공간의 밀도였습니다. 또한, 사슬들을 서로 밀어내는 신호와 서로 끌어당기는 신호라는 두 가지 서로 다른 유형의 화학적 신호를 테스트했습니다. 그 결과, 사슬들이 서로 닿거나 유체가 힘을 전달하지 않고도 나타나는 놀라운 다양성의 행동들을 발견했습니다.

화학적 신호가 사슬들을 서로 밀어내도록 만들었을 때, 그 행동은 사슬의 길이에 따라 크게 달라졌습니다. 단 두 개의 구슬로 이루어진 가장 짧은 사슬의 경우, 시스템은 결국 모든 사end 사슬이 마치 새 떼처럼 같은 방향으로 움직이는 상태로 안착했습니다. 이는 사슬들이 서로를 밀어내고 있음에도 불구하고 일어난 현상이었습니다. 정렬되기 전, 시스템은 혼란스럽게 소용돌이치는 운동 기간을 거쳤으나, 이 난류는 질서 정연한 군집(flocking)으로 가기 위한 하나의 징검다리일 뿐이었습니다. 놀랍게도, 이러한 군집 상태에서 사슬의 밀도는 매우 균일해졌으며, 덩어리나 빈틈이 거의 없는 '초균일성(hyperuniformity)'이라는 특성을 보였습니다. 이는 반발하는 화학적 힘이 군중을 매끄럽게 다듬기에 충분했음을 시사합니다.

사슬이 길어질수록 이야기는 달라졌습니다. 중간 길이의 사슬의 경우, 반발 신호는 연구진이 '액티브 난류(active turbulence)'라고 부르는 지속적이고 혼란스러운 운동 상태를 만들어냈습니다. 이 상태에서 사슬들은 서로 반대 방향으로 회전하는 소용돌이를 형성하며, 결코 가라앉지 않는 난류를 만들어냈습니다. 이는 이전 연구들에서 난류가 사슬이 헤엄치는 유체를 밀어낼 때 발생한다고 여겨졌던 것과 대조적입니다. 여기서 난류는 순수하게 사슬 끝단의 화학적 신호로부터 발생했으며, 유체 역학에 의존하지 않는 '건조한(dry)' 혼돈의 경로를 보여주었습니다. 훨씬 더 긴 사슬이나 매우 낮은 밀도에서는 시스템이 '스웜(swarm, 떼)' 단계에 진입했습니다. 여기서는 작은 사슬 그룹들이 국소적으로 함께 움직였지만, 이 그룹들이 거시적인 규모에서 서로 정렬되지는 않았습니다. 사슬들은 국소적인 소용돌이 속에서 회전했지만, 순수한 난류와 달리 거시적인 무질서함은 없었습니다. 즉, 국소적인 그룹들은 자신들만의 방향을 유지하면서도 전체 시스템은 무질서한 상태를 유지했습니다.

연구진이 화학적 신호를 사슬을 밀어내는 것이 아니라 끌어당기는 방향으로 바꾸자, 사슬들은 완전히 다른 형태를 형성했습니다. 사슬들은 활성 팁(tip)이 중심에 모이고 수동적인 꼬리가 바깥쪽으로 뻗어 나가는, 고슴도치 같은 조밀한 클러스터를 형성했습니다. 이 구조는 물속에서 형성되는 작은 비누 분자 구체인 '비누 미셀(soap micelle)'과 매우 흡사해 보였는데, 여기서는 기름과 물의 일반적인 균형이 아니라 사슬 자체의 움직임과 화학적 인력에 의해 만들어졌습니다. 가장 짧은 사슬의 경우, 이러한 클러스터들은 층을 이룬 고리 모양의 구조로 쌓였습니다. 높은 밀도에서는 사슬들이 너무 빽빽하게 밀집되어 움직임을 멈추고, 고정된 채 딱딱한 유리 같은 고체를 형성했습니다.

연구진은 또한 왜 사쇄들이 이렇게 행동하는지를 설명하기 위해 단순화된 수학적 이론을 구축했습니다. 그들은 유연한 사슬을 한쪽 끝에 화학적 근원이 있는 단단한 막대처럼 취급했습니다. 이 이론은 짧은 사슬은 군집을 형성하고 긴 사슬은 정렬에 어려움을 겪을 것이라는 예측을 정확히 해냈으며, 이는 컴퓨터 시뮬레이션 결과와 일치했습니다. 다만, 이론은 긴 사슬이 완벽한 군집을 형성하는 능력을 과대평가했는데, 이는 실제 사슬의 유연성과 복잡한 밀집 방식이 단순한 모델이 포착할 수 있는 것보다 더 큰 역할을 한다는 것을 시사합니다. 이 연구는 사슬 끝에 화학적 근원을 두는 단순한 행위만으로도 질서 정연한 군집부터 혼란스러운 난류, 그리고 구조화된 응집체에 이르기까지 광범위한 집단 행동을 생성할 수 있다는 결론을 내립니다. 이러한 발견은 복잡한 유체 상호작용이나 물리적 형태를 설계할 필요 없이, 오로지 화학적 신호만을 사용하여 스스로 조직화되는 새로운 재료를 설계할 수 있는 최소한의 방법을 제시합니다.