pH-clock programmed autonomous bidirectional actuation and optical modulation of a multi-stimuli-responsive hydrogel
본 연구는 새롭게 개발된 NaOH–Sultone pH-클락과 결합하여 외부의 개입 없이도 프로그래밍 가능한 양방향 기계적 운동과 동기화된 형광 변조를 달성하는 자율형 다중 자극 반응성 이중층 하이드로젤 액추에이터를 제시한다.
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재료가 그저 가만히 있는 것이 아니라, 살아있는 생명체처럼 움직이고, 생각하고, 반응하는 세상을 상상해 보십시오. 이것은 주변 환경을 감지하고 그에 반응하여 형태를 바꿀 수 있는 물체를 만드는 데 전념하는 과학의 흥в로운 분야인 '스마트 재료'의 영역입니다. 해바라기가 태양을 따라 고개를 돌리거나, 말미잡이가 촉수를 건드렸을 때 잽싸게 오므리는 것을 생각해 보십시오. 과학자들은 오랫동안 이러한 행동의 인공 버전을 만들고자 해왔습니다. 즉, 사람이 매번 버튼을 누르지 않아도 걷거나, 잡거나, 춤을 출 수 있는 부드럽고 말랑말랑한 젤로 된 로봇을 말입니다. 이러한 재료를 '자율적'(자기 주도적 움직임)으로 만드는 비결은 흔히 '화학적 시계'를 포함합니다. 주방 타이머가 시간을 거꾸로 세는 것처럼, 화학적 시계는 성분들의 혼합물로서 스스로의 환경을 시간에 따라 변화시켜, 재료에 움직임을 시작하거나, 멈추거나, 방향을 바꾸라는 신호를 보냅니다. 큰 과제는 이러한 재료가 단순히 한 방향으로 휘어진 채 머무는 것이 아니라, 양방향(앞뒤) 모두로 자동으로 움직이게 만드는 것이었습니다.
이 연구에서 인도 공과대학교 구와하티(IIT Guwahati)의 연구팀은 정확히 그 일을 수행하는 놀라운 '스마트 피부'를 제작했습니다. 그들은 마치 작은 자율 조절 로봇처럼 작동하는 특별한 이중 층 젤을 만들었습니다. 이 젤은 두 종류의 서로 다른 말랑말랑한 폴리머로 구성되어 있습니다. 한 층은 산성(레몬즙 같은) 상태일 때 부풀어 오르는 것을 좋아하고, 다른 한 층은 염기성(비누 같은) 상태일 때 부풀어 오르는 것을 좋아합니다. 이 두 층을 샌드위치처럼 겹쳐 놓음으로써, 그들은 산성에서는 한 방향으로, 염기성에서는 다른 방향으로 휘어질 수 있는 재료를 만들어냈습니다. 하지만 진짜 마법은 수산화나트륨과 설톤(sultone)이라는 화합물로 이루어진 'pH-시계'를 추가했을 때 일어납니다. 이들을 섞으면 시계가 작동하여 물을 매우 염기성으로 만듦으로써 젤이 한 방향으로 휘어지게 합니다. 그 후, 시계가 흘러감에 따라 설톤이 천천히 분해되어 물을 산성으로 바꾸며 점진적으로 산성 상태로 변화시킵니다. 이러한 화학적 변화는 젤을 속여서 휘어짐을 역전시키고, 반대편 끝까지 휘둘리게 만듭니다. 그 결과, 단 하나의 화학적 트리거에 의해 생명체의 리듬감 있는 움직임을 모방하며 한쪽에서 다른 쪽으로 자율적으로 흔들리는 부드러운 재료가 탄생했습니다.
이것을 더욱 생명체처럼 만들기 위해, 과학자들은 한 층에 생물학적 야간 조명 역할을 하는 특별한 성분인 빛나는 분자를 추가했습니다. AIEgen이라고 알려진 이 분자는 염기성 물에서는 보이지 않지만, 물이 산성이 되면 밝은 초록색 빛을 내뿜습니다. 화학적 시계가 진행됨에 따라, 젤은 앞뒤로 흔들릴 뿐만 아니라 밝기 또한 변화시키며, 처음에는 희미하게 빛나다가 최종 위치에 도달할 때쯤 밝게 빛납니다. 이는 마치 배터리나 전선 없이도 날개를 움직이며 빛의 세기를 바꾸는 반딧불이와 같습니다.
연구진은 이 시스템을 철저히 테스트했습니다. 그들은 이 젤이 시계뿐만 아니라 다양한 것에 의해 유발될 수 있음을 보여주었습니다. 철이나 알루미늄 같은 금속 이온을 추가해도 젤이 휘어질 수 있다는 것을 발견했으며, EDTA라는 화학 물질을 추가하면 원래 모양으로 다시 돌아오게 할 수 있다는 것도 발견했습니다. 이는 젤이 여러 가지 신호에 민격하다는 것을 입증했습니다. 그러나 가장 인상적인 부분은 자율 테스트였습니다. pH-시계를 활성화했을 때, 젤은 단 한 번 움직이는 데 그치지 않고 0도에서 140도까지 휘둘렸고, 중심을 통과하여 -135도까지 스스로 계속해서 움직였습니다. 팀은 빛의 변화도 측정하여, 젤이 여정의 산성 구간에 있을 때 빛이 나타난다는 것을 확인했습니다.
논문은 이 움직임이 단순한 일방향 반응에 의한 것이거나 복잡한 다단계 인간의 개입을 필요로 한다는 생각을 명시적으로 배제했습니다. 그들은 이 움직임이 가역적이며, 단순히 초기 화학 물질의 첨가 때문이 아니라 자신들의 시계에 의해 생성된 변화하는 pH 수준에 의해 구동된다는 것을 입증했습니다. 비록 움직임이 화학적 변화와 완벽하게 동기화되지는 않았지만(젤이 pH 변화를 따라가는 데 약간의 시간이 걸림), 결과는 명확하고 많은 사이클 동안 반복 가능했습니다. 저자들은 이 시스템이 다른 복잡한 화학 시스템에 비해 더 생명체와 유사한 움직임을 만드는 더 단순하고 견고한 방법을 제공한다고 제안하며, 자연이 의도한 대로 주변 환경에 적응할 수 있는 미래의 소프트 로봇을 위한 길을 열어준다고 밝혔습니다.
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