생체모방, 빛을 전달하는 광학 마이크로구조 성장 성공

자연의 시스템을 관찰하면 생물을 이해하고 모방할 수 있는 기술이나 도구를 개발할 수 있는 새로운 바이오-영감(Bio-inspiration)을 얻을 수 있다. 이 자연의 시스템을 자연 지능 (NI, Natural Intelligence) 이라 하며, 이들 동물, 식물, 어류, 곤충, 미생물, 박테리아, 바이러스들의 생체 시스템이나 지능을 모방하는 학문을 생체모방학 (Biomimetics) 또는 생체의생학 (Biomicmicry) 이라 하고, 그 응용된 기술을 ‘생체모방 기술’이라 한다. 

생체모방학은 생체의 구조와 기능을 그대로 모방해 새로운 생체물질(Biomaterial)을 만들고, 새로운 에너지나 자원을 수확하게 해주며, 새로운 지능시스템을 설계하고, 새로운 디바이스를 만들며, 새로운 광학시스템을 디자인하고, 미래의 생물체무기를 디자인할 수 있게 해준다. 또한 인간의 구조와 기능으로 융합시켜 인간의 지능과 능력을 향상시키는데 많은 도움을 줄 수 있다. 

이렇듯 기술들이 마이크로나 나노로 진입하면서 하나 또는 두 개의 인간이 사용할 수 있는 물질이나 디바이스나 무기들이 개발되면서 전 세계가 흥분하고 있다. 그래서 자연을 잘 살피고 자연의 지능인 구조와 기능을 밝혀 그대로 카피하고 응용성을 높이는 디자인 또는 재 디자인하는 것이 중요하다. 이를 과학자들은 ‘디자인 네이처 (DisigNature)’ 라고 부르기까지 한다. 한 마디로 자연을 디자인하는 것이 핵심역량으로 떠오르고 있다. 

2013년에 하버드대의 존폴슨공대 및 응용과학대학 (John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, SEAS) 과 바이오영감 공대의 위스연구소 (Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering) 의 물질과학자들이 스스로 조립(자기조립)된 크리스털 마이크로구조들의 집합체인 하나의 정원을 성장시키는데 (grew a garden of self-assembled crystal microstructures) 성공했다. 

그리고 최근 이러한 마이크로구조들을 제작할 수 있는 하나의 프레임워크 (뼈대, a framework) 를 개발해, 정교한 광학 마이크로요소들을 성장시키는데 (grow sophisticated optical microcomponents) 성공해, 3월 31일 사이언스에 <침전 혹은 응결하는 마이크로조각들의 제어된 형태 및 성장 (Controlled growth and form of precipitating microsculptures) >이라는 논문을 발표했다 (Kaplan et al., Science, 31 Mar 2017; Science Daily, 30 Mar 2017). 즉, 자연을 모방한 새로운 물질혁명에 지평선을 연 것이다.

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▲ 과학자들이 프레임워크를 이용하여 파장가이드 역할을 하는 트럼펫 모양의 조립을 포함하는 정교한 광학 마이크로요소들을 성장시키고 빛을 전달하는데 성공했다. Credit: Wim L. Noorduin/Harvard University

다기능성의 물질을 제작할 때 고려해야 할 포인트는 자연 (Nature) 은 늘 인간보다 몇 발짝 앞서 있다는 것이다. 해양 연체동물들 (Marine mollusks) 은 껍질 강도를 손상시키지 않으면서 자신의 곡선 껍질들 (curved shells) 에 광자 구조들 (photonic structures) 을 삽입 할 수 있다. 

심해 해면동물들 (deep sea sponges) 은 광섬유 케이블들 (fiber optic cables) 을 사용해 빛을 같이 사는 공생생물들에게 전달한다. 거미불가사리들 (brittlestars) 은 밤에 보기 위해, 렌즈들로 그들의 골격을 덮어서 빛을 몸 안으로 초점을 맞춘다. 성장 과정에서 이러한 정교한 광학 구조들은 더욱 작아지고, 더욱 정교한 곡선이 되며, 텅 빈 모양으로 조율되어 빛을 안내하고 가두게 된다. 이러한 신비스러운 자연의 물질을 인공적으로 만들 수 있을까?

연구소에서 이들을 모방한 복잡하고 정교한 바이오-영감적인 모양들 혹은 형태들 (complex bio-inspired shapes) 을 생산하는 것은 종종 시간 낭비이고 비용이 만만치 않다. 그런데 혁신이 2013년에 일어났다. 아이젠버그 (Joanna Aizenberg) 와 누르두인 (Wim L. Noorduin) 등 물질과학자들이 주도한 연구에서 비롯됐다. 이들은 액체 비이커 (a beaker of fluid) 안에서 화학적 그라디언트들 (chemical gradients,  생리적 활동이나 생화학적 반응, 화학물질의 농도 등의 변화) 을 간단히 조작해, 하나의 기판 (structures on a substrate) 에 정교한 꽃과 같은 구조를 제작하는데 성공한 것이다. 탄산염 (carbonate) 과 유리 (glass) 로 구성된 이러한 구조들은 얇은 벽들로 이루어진 꽃다발을 형성했다. 

이제 과학자들에게 부족한 것은 이러한 구조들을 보다 정교하게 제어할 수 있는 메커니즘을 이해하는 정량적 접근이었다. 그래서 찾아낸 것이 고체화되고 결정화되는 패턴들을 설명하는 이론인데, 이 이론에서 영감을 받은 과학자들은 새로운 기하학적 프레임워크를 개발해, 어떻게 그 전의 침전(응결) 패턴들이 성장할 수 있는지를 설명하는데 성공했다. 더 나아가 새로운 구조들까지 예측하는데 성공했다. 실제 실험에서 구조들의 모양이 용액 (solution) 의 산성-알칼리성의 정도를 나타내는 수소이온농도지수 (pH) 에 따라 제어되고 있음이 밝혀졌는데, 모양들이 산성도에 따라 제작이 되고 있음이 밝혀진 것이다.

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해당 논문 제1저자인 카플란 (C. Nadir Kaplan) 은 “높은 pH에서는 이러한 구조들은 평평한 매너 (a flat manner) 로 성장하기 때문에, 꽃병의 사이드와 같은 평평한 모양을 얻을 수 있다. 낮은 pH에서는 구조들은 곡선으로 시작하고 나선형의 구조들을 얻을 수 있다”라고 말했다. 카플란이 화학변화를 뜻하는 수학적 변수들과 함께 pH 함수를 풀어냈을 때, 그는 2013년에 아이젠버그 (Joanna Aizenberg) 와 누르두인 (Wim L. Noorduin) 이 개발한 모든 모양들을 다시 만들 수 있다는 것을 알았으며, 더 나아가 새로운 모양의 구조들을 만들 수 있었다. 더욱 중요한 것은 이러한 구조들은 빛을 전달(conduct light) 할 수 있는 능력이 있다는 것을 데모 (demo) 한 것이다.

카플란은 “일단 이러한 구조들의 형태 및 성장을 이해했으므로, 우리는 이제 이것들을 정량화하고자 한다. 우리의 목표는 상향식(bottoms-up)의 광학 구조물을 구축하는 것이다”라고 말했다. 현재 카플란과 누르두인은 공명체 (resonators), 파장가이드 (waveguides), 빔 분쇄기 (beam splitters) 등을 개발하고 있다.

아이젠버그는 “이번 연구결과와 연구 방법은 확장성이 있고, 저렴하며 정확한 전략으로 3차원 마이크로 구조들을 제작할 수 있는데, 이는 그 전의 하향식(top-down) 방법으로는 불가능하다. 따라서 3차원 마이크로구조들로 자성적, 전자적, 광학적 어플리케이션을 원하는대로 만들 수 있다”라고 말했다. 

교신저자인 마하데반(L. Mahadevan)은 “우리의 이론과 방법은 이들을 성장시킬 뿐만 아니라, 탄산염-실리카(carbonate-silica)는 얇은 벽의 가장자리를 따라서 구부릴 수 있다. 이 추가적인 자유도(degree of freedom)는 전통적인 결정체들에서는 불가능한 것이다. 따라서 하나의 눈송이(snowflake)로 성장시킬 수 있다. 이는 광화작용 혹은 무기화작용 혹은 광화작용 (mineralization) 에서 성장 메커니즘을 밝힐 새로운 방법을 제안하는 것이다. 왜냐하면 이 방법은 절대 척도와 무관하기 (independent of absolute scale) 때문에, 물리 시스템과 생물 시스템에 유용하게 적용될 수 있다”라고 말했다.

이 과학자들의 다음 연구 주제는 어떻게 이러한 구조들이 화학적으로 서로 경쟁하는지를 모델링하는 것이다. 예를 들면 숲 속의 나무들이 태양빛을 더 받으려고 어떤 경쟁을 화학적으로 하고 있는지를 밝혀내는 것이다. 또한 우리 몸 안의 물속에 들어 있는 미네랄 이온들이 빛에 따라 어떤 상호작용을 하며 비타민 E가 어떻게 생성되는지도 밝혀내는 것이다.

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* 용어정리 – 수소이온농도지수(pH) 

일반적으로 용액의 수소이온농도는 매우 작은 값이고 다루기가 불편하기 때문에 pH라는 지수를 도입해 간단한 숫자로 용액의 산성-알칼리성의 정도를 나타낸다. 용액 속에 수소이온이 많을수록 작은 값의 pH를 갖고, 수소이온이 적을수록 큰 pH값을 갖는다. 순수한 물의 pH인 7(중성)을 기준으로 pH 값이 7보다 작은 용액은 산성용액, 7보다 큰 용액을 염기성 혹은 알칼리성 용액이라 한다. 예를 들어 건전지에 이용되는 산의 pH는 0.1~0.3, 위액은 1.0~3.0, 식초는 2.4~3.4, 탄산음료는 2.5~3.5, 마시는 물은 6.3~6.6, 순수한 물은 7.0, 바닷물은 7.8~8.3, 암모니아수는 10.6~11.6, 세제는 14 등이다. 일반 세포는 pH 7.4로 중성인 반면 암세포는 pH가 6.5에서 5.5에 달해 약산성을 띈다. [정리 김들풀 기자  itnews@itnews.or.kr]
 

크기변환_사본-10632695_637493523030856_2757249799481243589_n차원용 소장/교수/MBA/공학박사/미래학자

아스팩미래기술경영연구소(주) 대표, 국가과학기술심의회 ICT융합전문위원회 전문위원, 국토교통부 자율주행차 융복합미래포럼 비즈니스분과 위원, 전자정부 민관협력포럼 위원, 국제미래학회 과학기술위원장

 

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