무리지어 이동하는 벌과 철새, 군집을 이루는 박테리아 등 크고 작은 자연계 생명체들은 집단적이면서 조직적인 행동패턴을 다양하게 보여준다. 세포나 개체들이 조화롭게 모이고, 움직이는 형상은 마치 한 집단의 팀원들이 서로 의사소통하며 팀워크와 시스템을 이루는 듯해 경이로움 마저 자아낸다.

한국과 미국 공동 연구팀은 인공적으로 제작한 미세입자들이 상호작용하며 생명체처럼 조직적인 형태를 갖추고 행동할 수 있음을 밝혀냈다. 특히 전위차라는 간단한 원리로 생명체 같은 '능동 입자'(active particles)를 구현해 주목받고 있다. 흡사 지능을 가진 것처럼 움직이는 입자들은 약물 전달체와 마이크로로봇 등 여러 분야에서 활용될 것으로 기대된다.

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 첨단연성물질 연구단 스티브 그래닉(Steve Granick) 단장(UNIST 자연과학부 특훈교수)은 미국 노스웨스턴 대학(Northwestern University) 에릭 루이첸 (Erik Luijten) 교수 연구팀과 함께 미세 콜로이드 입자¹⁾들의 획기적인 자기조립²⁾현상을 컴퓨터 시뮬레이션과 실험적으로 구현하는 데 성공했다.

연구팀은 양 쪽 면이 전기적으로 다른 성질을 지난 소위 '야누스 입자'를 활용하여 제작이 쉽고, 자발적 운동성이 실현된 능동 입자를 만들었다. 마이크로 크기 입자들의 상호작용을 전기적으로 컨트롤함으로써 입자들이 스스로 떼를 지어 이동하고(Swarms), 군집하고(Clusters), 체인 형태(Chains)를 띠는 것을 확인했다.

▲ 콜로이드 내에 중심을 벗어난 전하의 비균형성 영향으로 다양하게 형성되는 콜로이드 자기조립 구조체

연구팀은 유리구체의 한 쪽 면에만 금속박막을 입혀 양 쪽 면이 각각 다른 정전기력을 가지도록 했다. 증류수 안에 교류 전압을 가하면, 정전기력의 불균형으로 입자간 상호작용이 활발히 발생한다. 일부 입자들은 더 강하게 밀어내고, 반면 어떤 입자들은 서로 강하게 끌어당기는 현상을 보였다. 이와 함께 일부입자들은 중립적 모습을 나타냈다.

개별 입자간 역동적인 상호작용은 규칙적이면서도 다양한 군집형태로 '유영'(Swim)하는 형태를 나타냈다. 특히 전기장 안의 주파수 세기에 따라 입자들은 길게 꼬리를 만들거나, 방향성을 지닌 큰 무리를 이루거나, 촘촘하게 모여 개별적인 군락을 여러 개 형성했다. 연구진은 전위차만을 조절함으로써 원하는 형태의 입자들의 무리 형성을 재연할 수 있었다.

야누스 입자와 손쉬운 전기적 제어 방법을 고안함으로써, 자연계의 자기조립방식을 모사할 수 있는 획기적인 방법을 구현해 낸 것이다. 연구진은 이 원리를 활용하면 약물 성분을 함유한 입자들이 표적 위치에서 군집을 형성하도록 조정해, 부작용 없이 국소 부위에서만 약효가 발생하도록 유도할 수 있을 것으로 내다봤다. 더 나아가 생명체처럼 스스로 움직이고 팀워크를 이룰 수 있는 마이크로 로봇을 개발하는 데 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

스티브 그래닉 단장은 “이번 연구를 통해 한 가지 성질을 지닌 동일한 물질의 상호작용으로 다양한 형태의 자기조립 구조체가 형성될 수 있다는 새로운 사실을 발견했다.”며 “이를 통해 다양한 물성을 동시에 가지고 있으면서 외부 환경 변화에 따라 원하는 성질이 발현되는 스마트물질 연구가 활기를 띌 것이다”며 연구 성과의 의미를 강조했다.

그래닉 단장은 또 “IBS 첨단연성물질 연구단과 일리노이 대학 연구진의 실험 노하우, 노스웨스턴 대학의 컴퓨터 시뮬레이션 기술의 합작품이다. 향후 인공지능(AI) 물질 연구를 촉진하는 계기가 될 것이다”라고 말했다.

연구결과는 생명과학 및 화학분야 국제 저명 학술지인 '네이처 머티리얼즈³⁾(Nature Materials, IF 38.891)' 온라인판에 7월 12일 새벽 0시(한국시간)에 게재된다.

▲ 전기장 안의 주파수 세기에 따라 다양하게 형성되는 콜로이드 입자 구조체
- 두 개의 전극이 꽂힌 콜로이드 용액에 일정 진동수 이상의 교류 전압을 가하여, 전극에 수직축으로 전기장을 가하였다. 증류수 안에 무질서하게 채워져 있던 콜로이드 입자들은 전기장이 가해졌을때 증류수 안 전하와 상호작용 한다. 전기적 성질이 다른 야누스 입자 양면에서 정전기력이 불균형하게 형성되어 입자들은 자발적으로 이동한다.