물리학

새로운 실험에 따르면 활발하게 움직이는 분자 막대 집합의 혼란스러운 움직임을 활용하여 밀리미터 크기의 프로펠러와 바람개비를 회전시킬 수 있다고 합니다[1]. 막대의 움직임은 화학적으로 구동되는 분자 모터에 의해 구동되어 인접한 막대가 서로 연결되고 당겨지게 됩니다. 이러한 미세한 기계의 에너지를 대규모 운동으로 변환하는 능력은 결국 외부 전력 없이 작동하는 소형 펌프를 구동하는 데 사용될 수 있습니다.

활성 물질은 에너지를 소비하는 과정을 통해 스스로 움직일 수 있는 물체의 집합을 의미합니다. 무질서에서 질서를 창조하는 능력이 특징인 경우가 많습니다. 예를 들어, 고립된 특정 박테리아는 특정 방향으로 헤엄치지 않지만 연구자들은 이러한 박테리아가 기어 노치의 한쪽 면에 우선적으로 부딪혀 집합적으로 미세한 기어를 돌릴 수 있음을 보여주었습니다[2].

다른 유형의 활성 물질은 막대 모양 요소의 정렬을 통해 집단 운동을 나타냅니다. 이러한 소위 활성 네마틱 행동은 길쭉한 상피 세포층과 같은 특정 유형의 생물학적 조직에서 흔히 나타납니다(개요: 세포 확장 및 수축 참조). 활성 요소는 일반적으로 서로 정렬되지만 개별 동작으로 인해 결함이라고 하는 정렬 불량 영역이 발생할 수 있습니다. 이러한 영역은 예측할 수 없는 방식으로 형성되고 이동합니다. "[활성 네마틱스의] 흥미로운 측면 중 하나는 내부적으로 생성된 혼돈을 활용하여 일종의 일관된 동작을 생성할 수 있다는 것입니다."라고 캘리포니아 대학교 산타 바바라 캠퍼스의 Zvonimir Dogic은 말합니다.

Dogic과 그의 동료들은 키네신(kinesin)이라고 불리는 분자 운동 단백질과 미세소관(microtubules)이라고 불리는 막대 모양의 생체 고분자를 결합한 활성 네마틱 물질을 사용하여 실험을 수행했습니다. 세포 내부에서 미세소관은 키네신 분자가 세포 화물을 끌어당기는 고속도로 역할을 합니다. 농축된 미세소관 수프에서 키네신 분자는 두 개의 인접한 미세소관을 붙잡고 하나가 다른 미세소관을 미끄러지게 할 수 있습니다. 이러한 동작은 정렬 패턴에 두 가지 유형의 결함, 즉 혜성 모양의 "양성" 결함과 삼각형 "음성" 결함(기호는 결함 주변의 미세소관 방향을 기반으로 함)으로 이어집니다.

연구진은 활성 네마틱이 오일-물 경계면의 2차원에 국한된 원통형 탱크에서 이러한 두 가지 결함 유형의 움직임을 연구했습니다. 같은 탱크에 팀은 원, 별, 바람개비 등 다양한 모양을 가진 수백 마이크로미터 너비의 부유 물체를 배치했습니다. 활성 네마틱은 원이나 별과 같은 대칭 물체를 밀치지만 순 회전을 유도하지 않습니다. 이와 대조적으로 활성 네마틱은 바람개비 모양을 분당 약 0.2회전의 속도로 회전하게 했습니다.

이러한 관찰을 설명하기 위해 팀은 탱크의 결함 동작을 추적하여 바람개비 주변의 예상치 못한 동작 패턴을 밝혀냈습니다. 즉, 바람개비 블레이드 바로 뒤에 양성 결함이 일상적으로 형성되었습니다. 새로 형성된 각각의 결함은 관련 블레이드를 스치고 바깥쪽으로 발사되는 유사한 궤적을 따랐습니다. 이 과정은 블레이드 뒤에 새로운 결함이 형성되도록 유도했습니다. 이 순환 패턴은 바람개비에 순 회전력(토크)을 생성했습니다. 블레이드 끝 부분의 평균 속도는 약 3μm/s로 결함 평균 속도의 절반 정도였습니다. Dogic은 이 속도 비율이 (기하학적 구조는 다르지만) 팁이 평균 풍속의 7배로 움직일 수 있는 풍력 터빈과 동일한 일반적인 범위에 있다고 말합니다.

그러나 생성된 회전 에너지는 키네신 분자가 연소하는 화학 에너지의 양에 비해 작았습니다. "많은 양의 에너지가 손실되는데, 그것이 어디서 손실되었는지는 실제로 명확하지 않습니다"라고 Dogic은 말합니다. 그럼에도 불구하고 그는 활성 네마틱이 칼날 모양의 돌출부로 덮힌 벽이 있는 채널에서 순 흐름을 생성할 수 있기 때문에 미세 유체 분야의 잠재적인 응용을 예견합니다. 여기의 장점은 펌핑이 자급자족할 수 있다는 것입니다. 외부 전력을 공급할 필요가 없다고 Dogic은 말합니다.