금 조각은 우리 세계를 하나로 묶는 비밀 세력을 드러냅니다.

Chalmers의 물리학 연구실 중 한 곳에서 박사 과정 학생인 Michaela Hošková가 설정을 시연하고 있습니다. 그녀는 소금 용액에 떠 있는 수백만 개의 미세한 금 조각으로 가득 찬 유리 용기를 들고 있습니다. 피펫을 사용하여 그녀는 광학 현미경 아래에 있는 금 코팅 유리판에 이 액체 한 방울을 떨어뜨립니다. 거의 즉시 금 조각이 표면을 향해 끌어당겨지지만 표면에 닿기도 전에 멈추어 나노미터 단위로 측정되는 극도로 얇은 간격을 남깁니다. 이 작은 구멍은 소형 빛 트랩 역할을 하여 빛이 앞뒤로 반사되어 생생한 색상을 생성합니다. 현미경의 할로겐 램프로 조명하고 분광계를 통해 분석하면 빛은 서로 다른 파장으로 분리됩니다. 연결된 모니터에서 플레이크는 표면을 따라 이동하면서 빨간색, 녹색, 금색 사이를 오가며 반짝입니다.

작은 구멍에 갇힌 빛을 이용한 ‘자연의 접착제’ 연구

“우리가 보고 있는 것은 자연의 근본적인 힘이 서로 어떻게 상호 작용하는지입니다. 이제 우리는 이 작은 구멍을 통해 우리가 ‘자연의 접착제’라고 부르는 힘, 즉 가장 작은 크기로 물체를 서로 묶는 힘을 측정하고 연구할 수 있습니다. 우리는 일어나는 일에 개입할 필요가 없으며 단지 조각의 자연스러운 움직임을 관찰할 뿐입니다.”라고 Chalmers University of Technology의 물리학과 박사 과정 학생이자 과학 기사의 첫 번째 저자인 Michaela Hošková는 말합니다. 플랫폼이 소개된 PNAS 저널에 게재되었습니다.

이러한 나노 크기의 공동 내부에 갇힌 빛을 통해 과학자들은 두 가지 경쟁하는 힘, 즉 플레이크를 표면쪽으로 끌어당기는 힘과 밀어내는 힘 사이의 섬세한 평형을 탐색할 수 있습니다. 카시미르 효과(Casimir Effect)로 알려진 인력으로 인해 금 조각이 서로 더 가까워지고 기판 쪽으로 끌어당겨집니다. 소금 용액의 전하 입자에 의해 생성된 반대 정전기력은 이들이 완전히 달라붙는 것을 방지합니다. 이러한 힘이 완벽한 균형에 도달하면 자기 조립이라는 과정이 발생하여 이 현상을 가시화하는 구멍이 생성됩니다.

“나노 규모의 힘은 다양한 물질이나 구조가 조립되는 방식에 영향을 주지만 우리는 이 복잡한 자기 조립을 지배하는 모든 원리를 아직 완전히 이해하지 못합니다. 만약 우리가 이를 완전히 이해한다면 나노 규모에서 자기 조립을 제어하는 ​​방법을 배울 수 있습니다. 동시에 동일한 원리가 훨씬 더 큰 규모에서 자연을 어떻게 지배하는지, 심지어 은하가 형성되는 방식에 대해서도 통찰력을 얻을 수 있습니다”라고 Michaela Hošková는 말합니다.

금 조각이 떠다니는 센서가 되다

Chalmers 연구원의 새로운 플랫폼은 물리학과의 Timur Shegai 교수 연구 그룹에서 수년간의 작업을 더욱 발전시킨 것입니다. 4년 전 한 쌍의 금 조각이 자기 조립 공진기를 생성한다는 사실을 발견한 이후, 연구자들은 이제 다양한 기본 힘을 연구하는 방법을 개발했습니다.

연구자들은 자기 조립된 금 조각이 떠다니는 센서 역할을 하는 플랫폼이 물리학, 화학, 재료 과학 등 다양한 과학 분야에서 유용할 수 있다고 믿습니다.

“이 방법을 사용하면 개별 입자의 전하와 입자 사이에 작용하는 힘을 연구할 수 있습니다. 이러한 힘을 연구하는 다른 방법에는 입자 수준까지 정보를 제공할 수 없는 정교한 도구가 필요한 경우가 많습니다.”라고 연구 책임자인 Timur Shegai는 말합니다.

의약품부터 바이오센서까지 모든 분야에 대한 새로운 지식 제공 가능

많은 기술 개발에 중요한 플랫폼을 사용하는 또 다른 방법은 개별 입자가 액체에서 어떻게 상호 작용하고 안정적으로 유지되거나 서로 달라붙는 경향이 있는지 더 잘 이해하는 것입니다. 이는 신체를 통한 의약품의 경로나 효과적인 바이오센서 또는 정수 필터를 만드는 방법에 대한 새로운 통찰력을 제공할 수 있습니다. 하지만 화장품처럼 뭉쳐지기 싫은 일상용품에도 중요한데요.

Timur Shegai는 “플랫폼을 통해 근본적인 힘과 물질적 특성을 연구할 수 있다는 사실은 진정으로 유망한 연구 플랫폼으로서의 잠재력을 보여줍니다.”라고 말했습니다.

연구실에서 Michaela Hošková는 완성된 플랫폼 샘플이 들어 있는 상자를 엽니다. 그녀는 그것을 핀셋으로 들어 올려 현미경에 얼마나 쉽게 넣을 수 있는지 보여줍니다. 두 개의 얇은 유리판에는 자연의 보이지 않는 접착제를 연구하는 데 필요한 모든 것이 담겨 있습니다.

“가장 흥미로운 점은 측정 자체가 매우 아름답고 쉽다는 것입니다. 이 방법은 금 조각의 움직임과 빛과 물질 사이의 상호 작용에만 기초하여 간단하고 빠릅니다”라고 Michaela Hošková는 금 조각에 현미경을 확대하여 말했습니다. 금 조각의 색상은 작용 중인 힘을 즉시 드러냅니다.

연구자들이 ‘자연의 보이지 않는 접착제’를 연구하는 방법

대략 10 마이크로미터 크기의 금 플레이크를 염 용액, 즉 자유 이온을 함유한 물이 채워진 용기에 넣습니다. 금으로 덮인 유리 기판 위에 용액 한 방울을 떨어뜨리면 플레이크가 자연스럽게 기판에 끌어당겨 나노미터 크기(100~200나노미터)의 구멍이 나타납니다. 자기 조립은 두 가지 힘, 즉 물체를 서로 끌어당기게 만드는 직접 측정 가능한 양자 효과인 카시미르 힘과 염 용액의 대전된 표면 사이에서 발생하는 정전기력 사이의 섬세한 균형의 결과로 발생합니다.

단순한 할로겐 램프가 작은 구멍을 비추면 내부의 빛이 마치 함정에 걸린 것처럼 포착됩니다. 이를 통해 연구원들은 분광계에 연결된 광학 현미경을 사용하여 빛을 더 자세히 연구할 수 있습니다. 분광계는 빛의 파장을 분리하여 다양한 색상을 식별할 수 있습니다. 용액의 염도를 변화시키고 플레이크가 기질까지의 거리를 어떻게 변화시키는지 모니터링함으로써 작용하는 근본적인 힘을 연구하고 측정하는 것이 가능합니다. 금 플레이크가 포함된 식염수 용액의 증발을 방지하기 위해 금 플레이크 한 방울과 식염수를 밀봉한 후 다른 유리판으로 덮습니다.

이 플랫폼은 Chalmers의 Nanofabrication Laboratory, Myfab Chalmers 및 Chalmers Materials Analysis Laboratory(CMAL)에서 개발되었습니다.

연구에 대한 추가 정보

과학 기사 Casimir 자가 조립:액체에서 나노규모 표면 상호 작용을 측정하기 위한 플랫폼이 PNAS(국립과학원회보). 이 글은 스웨덴 찰머스 공과대학 물리학과의 Michaela Hošková, Oleg V. Kotov, Betül Küçüköz 및 Timur Shegai와 미국 일리노이 대학 화학과의 Catherine J. Murphy가 작성했습니다.

이 연구는 스웨덴 연구 위원회, Knut and Alice Wallenberg 재단, Vinnova Center 2D-Tech 및 Chalmers University of Technology의 Nano Area of ​​Advance의 자금 지원을 받았습니다.