스탠포드 과학자들은 문어처럼 색상과 질감을 바꾸는 형태 변화 물질을 만듭니다.

논문의 제1저자이자 스탠포드 재료과학 및 공학 박사과정 학생인 Siddharth Doshi는 “질감은 물체의 모양과 느낌 모두에서 우리가 물체를 경험하는 방식에 매우 중요합니다.”라고 말했습니다. “이 동물들은 미크론 규모에 가깝게 몸을 물리적으로 바꿀 수 있으며, 이제 우리는 동일한 규모에서 재료의 지형과 그에 연결된 시각적 특성을 동적으로 제어할 수 있습니다.”

이러한 혁신은 인간과 로봇 모두를 위한 향상된 위장 시스템뿐만 아니라 웨어러블 장치의 색상을 변경하는 유연한 디스플레이로 이어질 수 있습니다. 또한 전자, 암호화 및 생물학에 사용하기 위해 매우 작은 규모의 빛을 제어하는 ​​데 초점을 맞춘 분야인 나노포토닉스(nanophotonics)에 새로운 문을 열었습니다.

이 논문의 수석 저자이자 재료 과학 및 공학 교수인 Nicholas Melosh는 “이렇게 부드럽고 팽창할 수 있으며 나노 규모에서 패턴화할 수 있는 다른 시스템은 없습니다.”라고 말했습니다. “모든 종류의 다양한 애플리케이션을 상상할 수 있습니다.”

머티리얼이 동적 패턴을 생성하는 방법

이러한 변화하는 텍스처를 생성하기 위해 팀은 반도체 제조에 널리 사용되는 기술인 전자빔 리소그래피와 물에 반응하는 폴리머 필름을 결합했습니다. 집중된 전자 빔에 노출되면 필름의 특정 영역이 어느 정도 흡수성을 갖게 됩니다. 재료가 물을 흡수하면 해당 부분이 다르게 팽창하여 필름이 젖었을 때만 나타나는 복잡한 패턴을 형성합니다.

중요한 통찰력은 예기치 않게 나타났습니다. 에 이전 실험Doshi는 주사 전자 현미경을 사용하여 고분자 필름의 나노 구조를 조사했습니다. 나중에 샘플을 버리는 대신 재사용했습니다. 이후 테스트에서 이전에 전자빔에 노출된 영역은 다르게 동작하고 뚜렷한 색상을 표시했습니다.

Doshi는 “우리는 이러한 전자빔을 사용하여 매우 미세한 규모의 지형을 제어할 수 있다는 것을 깨달았습니다.”라고 말했습니다. “그것은 확실히 우연한 일이었습니다.”

평평한 표면에서 3D 구조까지

이 기술의 정밀도는 놀라운 세부 묘사를 가능하게 합니다. 연구원들은 심지어 요세미티의 엘 캐피탄(El Capitan)의 작은 버전도 만들었습니다. 건조되면 표면이 완전히 평평하게 유지됩니다. 물을 첨가하면 구조가 필름에서 솟아 올라 3차원 모양을 형성합니다.

재료가 부풀어오르는 정도를 신중하게 조정함으로써 팀은 재료가 빛을 반사하는 방식도 제어할 수 있습니다. 이를 통해 광택 마감과 무광택 마감 사이를 전환할 수 있어 현재 화면이 달성할 수 있는 것보다 뛰어난 시각적 효과를 생성할 수 있습니다. 이 과정은 되돌릴 수 있습니다. 알코올 같은 용제를 첨가하면 물이 제거되고 재료가 평평한 상태로 돌아갑니다.

동일한 접근 방식으로 복잡한 색상 패턴을 생성할 수도 있습니다. 연구진은 폴리머의 양면에 얇은 금속층을 배치함으로써 빛의 특정 파장을 선택하는 Fabry-Pérot 공진기로 알려진 구조를 만들었습니다. 필름이 팽창하거나 수축함에 따라 다양한 색상이 나타납니다. 물과 용매의 적절한 균형을 통해 평범한 표면도 생동감 넘치는 패턴으로 변신할 수 있습니다.

“고분자 필름의 두께와 지형을 동적으로 제어함으로써 매우 다양하고 아름다운 색상과 질감을 실현할 수 있습니다”라고 재료 과학 및 공학 교수이자 논문의 수석 저자인 Mark Brongersma가 말했습니다. “팽창, 수축, 모양 변경이 가능한 부드러운 소재의 도입으로 광학계에 사물의 모양을 조작할 수 있는 완전히 새로운 도구 상자가 열렸습니다.”

위장 및 로봇 공학의 미래 응용 분야

이러한 필름의 여러 층을 결합하면 연구자들은 색상과 질감을 독립적으로 조정하여 재료가 문어와 유사한 방식으로 주변 환경과 혼합되도록 할 수 있습니다(시행 착오가 없지는 않지만).

현재 배경을 일치시키려면 물과 용매 수준을 수동으로 조정해야 합니다. 팀은 실시간으로 주변을 분석하고 자료를 조정할 수 있는 컴퓨터 비전과 AI 시스템을 추가하여 이 프로세스를 자동화하기를 희망합니다.

Doshi는 “우리는 피부와 배경을 비교한 다음 인간의 개입 없이 실시간으로 자동으로 일치하도록 조정할 수 있는 신경망(기본적으로 AI 기반 시스템)을 통해 이를 제어할 수 있기를 원합니다”라고 말했습니다.

위장을 넘어서: 새로운 가능성

잠재적인 용도는 위장을 넘어 훨씬 더 확장됩니다. 표면 질감을 미세하게 제어하면 마찰을 조절하는 데 도움이 되어 소형 로봇이 표면을 잡거나 미끄러질 수 있습니다. 나노 규모에서 구조의 변화는 세포의 행동 방식에도 영향을 미쳐 생명공학 분야에 응용 가능성을 열어줍니다. 팀은 아티스트와 협력하여 소재의 창의적인 용도를 모색하기도 합니다.

“미크론 거리에 걸쳐 부드러운 재료의 특성에 작은 변화가 마침내 가능해졌으며 이는 모든 종류의 가능성을 열어줄 것입니다”라고 Melosh는 말했습니다. “앞으로 흥미로운 일들이 많이 일어날 것 같아요.”

연구팀 및 지원

Brongersma는 예의상 응용 물리학 교수입니다. Stanford Bio-X, Wu Tsai Human Performance Alliance 및 Wu Tsai Neurosciences Institute의 회원입니다. Precourt Institute for Energy의 계열사입니다.

Melosh는 Stanford Bio-X 및 Wu Tsai Neurosciences Institute의 회원입니다. Precourt Institute for Energy의 계열사; Sarafan ChEM-H의 교수진입니다.

이 연구의 추가 스탠포드 공동 저자로는 Alberto Salleo, Hong She 및 Vivian WM Lim 교수이자 광자 과학 교수가 있습니다. 폴리 포다이스(Polly Fordyce) 부교수; 박사후 연구원 Nicholas A. Güsken 및 Gerwin Dijk; Stanford Microfluidics Foundry 이사 Jennifer E. Ortiz-Cárdenas; 대학원생 Johan Carlström, Peter Suzuki 및 Bohan Li.

이 연구는 스탠포드 대학원 펠로우십, 메타 박사 펠로우십, 스탠포드 대학의 Wu Tsai Human Performance Alliance, Joe 및 Clara Tsai 재단, 독일 국립 과학 아카데미 Leopoldina, 에너지부, 공군 후원 연구실 및 국립 과학 재단의 지원을 받았습니다.