Collective self-sorting on a chip

분류는 혼란스러운 뒤섞임 속에서 서로 다른 것들이 제 자리를 찾아가는 조직화의 근본적인 행위입니다. 시스템이 정지해 있는 물리학의 고요한 세계에서, 이러한 조직화는 대개 구성 요소들이 연못 바닥으로 가라앉는 돌처럼 가장 낮은 에너지 상태로 자리 잡으면서 일어납니다. 하지만 세상은 좀처럼 정지해 있지 않습니다. 과학자들이 '활성 물질(active matter)'이라 부르는, 끊임없이 움직이고 에너지를 사용하는 시스템에서는 규칙이 달라집니다. 여기서 입자들은 열에 의한 부드러운 자극을 기다리는 대신, 스스로를 추진합니다. 이처럼 스스로 움직이는 입자들이 서로 다르게 움직이는 다른 입자들과 섞일 때, 이들은 지쳐서가 아니라 그 움직임 자체가 서로를 밀어내기 때문에 자발적으로 분리될 수 있습니다. 이 현상은 외부의 체나 복잡한 기계 장치 없이도, 입자 자신의 행동에 의존하여 미세한 물체들을 분류하는 새로운 방법을 제시합니다.

레이던 대학교의 연구진은 이제 이 원리를 작동하는 장치로 구현해 냈습니다. 즉, 곡선 경로를 따라 유도하는 것만으로 미세하게 스스로 움직이는 입자들의 혼합물을 분류하는 미세유체 칩을 만든 것입니다. 과학자들은 폴리스티렌으로 만든 유형과 폴리메틸 메타크릴레이트라는 다른 플라스틱으로 만든 유형, 이렇게 두 종류의 미세한 롤러 혼합물로 실험을 시작했습니다. 특정 액체에 배치되어 전기장이 가해지면, 이 입자들은 표면을 가로질러 구르기 시작하며 조밀하고 소용돌이치는 군중을 형성합니다. 연구진은 두 유형의 입자가 서로 다른 속도로 움직일 경우 자연스럽게 분리된다는 사실을 발견했습니다. 더 빠른 입자는 소용돌이의 바깥쪽 가장자리로 이동하고, 더 느린 입자는 중심부에 모이게 됩니다. 이러한 분리는 입자의 크기나 재질에 의해 고정되는 것이 아니라, 전적으로 속도의 차이에 의해 발생합니다. 연구진은 전기장을 조절함으로써 어떤 유형의 입자가 더 빠른지를 역전시킬 수 있었고, 이를 통해 새로운 선두 입자가 바깥쪽 고리를 차지하도록 분류 패턴을 즉각적으로 바꿀 수 있었습니다.

이 분리가 정확히 어떻게 작동하는지 이해하고 이를 유용하게 만들기 위해, 연구진은 수천 개의 입자 거동을 시뮬레이션하는 컴퓨터 모델을 구축했습니다. 그들은 속도의 차이만으로도 입자의 크기가 다르더라도 분리를 일으키기에 충분하다는 것을 확인했습니다. 또한 시뮬레이션은 용기의 모양에 대한 중요한 세부 사항을 밝혀냈습니다. 즉, 입자들이 좁고 구부러진 공간에 갇혀 있을 때 분리가 가장 효율적으로 일어난다는 것입니다. 크고 개방된 원형 구조에서는 분리가 일어나기는 했지만 시간이 오래 걸렸습니다. 반면, 더 작고 좁은 원형 구조는 입자들이 훨씬 더 빠르게 재편성되도록 강제했습니다. 이 통찰은 핵심적인 설계 원칙으로 이어졌습니다. 입자를 빠르고 효과적으로 분류하려면 하나의 큰 방보다는 일련의 작은 곡선형 채널을 사용해야 한다는 것입니다.

그 후 연구진은 이러한 발견을 실제 장치로 옮겼습니다. 그들은 연속적인 곡선 구간들로 이루어진 구불구불한 뱀 모양의 채널을 가진 칩을 설계했습니다. 혼합된 입자 현탁액이 장치로 흘러 들어오면, 더 빠른 입자들은 각 곡선의 바깥쪽 벽으로 밀려나고, 더 느린 입자들은 안쪽 벽으로 밀려납니다. 각 곡선 구간의 끝에는 바깥쪽의 빠른 입자 흐름을 한 출구로, 안쪽의 느린 입자 흐름을 다른 출구로 유도하는 작은 벽이 있습니다. 연구진은 실제 입자를 사용하여 이 설계를 테스트하며, 칩에 혼합 현탁액을 주입했습니다. 혼합물이 장치의 열 개 곡선 단위를 통과함에 따라 분리는 각 회전마다 더욱 뚜렷해졌습니다. 입자들이 장치의 끝에 도달했을 때, 두 유형은 거의 별개의 흐름으로 분류되었습니다. 즉, 더 빠른 입자는 한쪽 출구에서, 더 느린 입자는 다른 쪽 출구에서 수집되었습니다.

이 연구는 활성 입자의 집단적 행동을 활용하여 연속적이고 자율적인 분류 기계를 만들 수 있음을 보여줍니다. 이 장치는 흐름이 시작된 후 구성 요소를 분리하기 위해 복잡한 움직이는 부품이나 외부 장을 필요로 하지 않습니다. 채널의 기하학적 구조와 입자 자체의 운동성이 나머지 작업을 수행합니다. 연구진은 경로의 곡률과 내부 벽의 위치를 세심하게 조정함으로써, 분리된 흐름의 순도와 성공적으로 수집되는 입자의 양을 모두 제어할 수 있음을 보여주었습니다. 비록 이 장치가 특정 유형의 자가 추진 입자로 테스트되었지만, 그 근저에 깔린 원리는 입자가 얼마나 빨리 움직이는지에 따라 미세한 물체를 분리하는 새로운 길을 제시하며, 이는 부드럽고 연속적인 분류가 필요한 미래의 미세유체 기술 분야에서 잠재적인 도구가 될 수 있음을 시사합니다.