Training and memory in a randomly driven fractal gel
X선 광자 상관 분광법을 사용한 본 연구는, 결정론적 주기적 전단보다 더 느리고 불규칙하게 진행되기는 하지만, 내부 응력 재분배를 유도하고 비가역적 변형 변위를 감소시킴으로써 프랙탈 나노입자 겔이 무작위 전단 구동에 대한 미세구조적 가역성과 기억력을 나타내도록 훈련될 수 있음을 입증한다.
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겉보기에는 단단해 보이지만 내부적으로는 무질서한 구겨진 종이나 빽빽하게 채워진 모래 항아리 같은 재료들은 종종 단순한 논리를 거스르는 방식으로 행동하곤 합니다. 이들을 누르거나 늘릴 때, 이들의 미세한 내부 구성 요소들은 이동하고 재배열됩니다. 보통 과학자들은 이러한 재배열이 혼란스럽고 영구적일 것이라고 예상하며, 매번 힘을 가할 때마다 재료가 새로운 혼란 상태에 빠질 것이라고 생각합니다. 그러나 최근 연구자들은 이러한 무질서한 재료 중 일부가 "학습"할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 만약 특정한 리듬과 강도로 반복해서 밀고 당기면, 이 재료들은 스스로를 훈련시켜 힘을 멈출 때마다 원래의 모양으로 돌아가도록 만들며, 자신이 사용된 정확한 힘을 기억하게 됩니다. '훈련(training)'이라고 알려진 이 현상은 채워진 알갱이나 구겨진 시트와 같은 시스템에서 관찰되었으나, 이것이 부드러운 젤 형태의 물질에서도 일어날 수 있는지, 혹은 일정한 반복 리듬이 아닌 무작위적이고 예측 불가능한 힘이 가해질 때도 일어날 수 있는지는 불분명했습니다.
물리학자 팀은 프랙탈 겔(fractal gel)을 연구함으로써 이 질문들에 답하고자 했습니다. 프랙탈 겔은 미세한 실리카 입자를 광물성 오일에 혼합하여 만든 섬세하고 스펀지 같은 네트워크 구조의 물질입니다. 이 보이지 않는 세계 내부에서 어떤 일이 일어나는지 관찰하기 위해, 연구진은 강력한 기술인 X선 광자 상관 분광법(X-ray photon correlation spectroscopy)을 사용했습니다. 매우 집중된 X선 빔을 겔에 투사하고 빛이 움직이는 입자들에 의해 어떻게 산란되는지 관찰한다고 상상해 보십시오. 산란된 빛의 패턴을 분석함으로써, 연구진은 입자들의 정확한 배열을 보고 겔이 압착될 때 입자들이 어떻게 움직이는지 추적할 수 있었습니다. 그들은 두 판 사이에 겔을 두고, 정밀한 기계를 사용하여 아래쪽 판을 앞뒤로 움직이며 전단 변형(shear strain), 즉 재료의 층들이 서로 미끄러지도록 유도하는 힘을 가했습니다.
연구진은 겔이 어떻게 반응하는지 확인하기 위해 두 가지 다른 유형의 실험을 수행했습니다. 첫 번째 실험에서는 예측 가능한 리드미컬한 밀고 당기기를 적용하여, 겔을 특정 한계까지 늘렸다가 다시 제로(0) 상태로 되돌리는 과정을 반복했습니다. 두 번째 실험에서는 무작위적인 접근 방식을 사용했는데, 겔이 위아래로 요동치며 무작위하게 움직이되, 첫 번째 실험의 최대 한계치를 넘지 않도록 했습니다. 연구 결과, 두 방법 모두 효과가 있었습니다. 겔을 일정한 리듬으로 밀든 무작위적인 경로로 밀든, 내부 구조는 결국 가역적으로 변했습니다. 이는 즉, 입자들이 도달한 경로가 서로 다를지라도, 일정 횟수의 사이클이 지나면 입자들이 각 스트레칭의 끝에서 시작했던 정확한 위치로 돌아오게 된다는 것을 의미합니다. 겔은 가해진 힘의 경계를 기억하도록 스스로를 훈련시킨 것입니다.
하지만 겔이 학습하는 방식은 어떻게 밀어주느냐에 따라 달랐습니다. 힘이 일정하고 리드미컬할 때 훈련은 빠르고 매끄럽게 진행되었습니다. 겔은 반복되는 사이클마다 가역성을 갖추며, 시작점으로 돌아가는 능력이 점진적으로 향상되었습니다. 반면 힘이 무작위적일 때는 과정이 훨씬 느리고 불규칙했습니다. 겔이 원래 상태로 돌아가는 능력은 개선되었다가 때로는 떨어지기도 하고 다시 좋아지는 과정을 거쳤지만, 전체적인 추세는 여전히 더 높은 가역성을 향해 나아갔습니다. 이는 무작위성이 학습 과정을 더 어지럽게 만들 수는 있지만, 겔의 학습 자체를 막지는 못한다는 것을 보여주었습니다. 또한 연구진은 이 사이클 동안 입자들이 비가역적으로 얼마나 이동했는지 측정했습니다. 그들은 겔이 훈련됨에 따라 입자들이 영구적으로 이동하는 거리가 감소하여, 결국 물질이 완벽하게 되돌아오는 것처럼 보일 정도로 작아진다는 것을 발견했습니다.
겔이 훈련 중에 사용된 특정한 힘의 세기를 진정으로 기억하고 있는지 증명하기 위해, 연구팀은 '판독(readout)' 테스트를 실시했습니다. 그들은 서로 다른 양의 힘으로 훈련된 겔들을 가져온 뒤, 힘의 세기를 점진적으로 높여가며 새로운 일련의 스트레칭을 가했습니다. 훈련되지 않은 겔의 경우, 입자를 움직일 만큼 충분히 강한 힘이 가해지자마자 시작 위치와 종료 위치 사이의 상관관계가 즉시 떨어졌습니다. 그러나 훈련된 겔에서는 흥ef한 일이 일어났습니다. 새로운 힘이 훈련받았던 수준 미만으로 유지되는 동안에는 겔이 놀라울 정도로 안정적이고 가역적인 상태를 유지했습니다. 하지만 힘이 훈련된 정확한 한계치에 도달하는 순간, 안정성은 무너졌고 상관관계는 급격히 떨어졌습니다. 이 급격한 하락은 겔이 경험했던 변형의 진폭(amplitude)에 대한 기억을 저장했다는 것을 확인시켜 주는 일종의 서명(signature) 역할을 했습니다.
이 연구는 이러한 기억 효과가 질서 정연하고 리드미컬한 밀기뿐만 아니라, 특정 범위 내에 있다면 무작위적이고 혼돈스러운 힘에 의해서도 유도될 수 있음을 밝혀냈습니다. 겔의 내부 구조가 전체적인 네트워크를 바꾸거나 새로운 연결을 형성하는 명확한 징후를 보이지는 않았지만, 응력에 반응하는 방식은 입자들이 힘에 적응하기 위해 국부적으로 재배열되었음을 시사했습니다. 연구진은 매우 작은 힘에 대해서는 겔이 이미 탄성을 가지고 가역적이었기에 훈련이 필요하지 않았음을 언급했습니다. 그러나 힘이 특정 임계값에 도달하면 가역성을 회복하기 위해 훈련 과정이 필수적이었습니다. 이는 겔의 기억 능력이 내부적인 변화를 일으킬 만큼 충분히 강하면서도, 완전히 붕괴되지 않을 정도의 힘이 가해질 때만 나타나는 역동적인 과정임을 시사합니다. 이 발견은 무질서한 재료가 어떻게 기계적 이력을 보유하는지에 대한 새로운 질문을 던지며, 가장 혼돈스러운 시스템조차도 학습하고 적응하는 숨겨진 능력을 갖추고 있을 수 있음을 암시합니다.
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