나노크기의 모터는 더 큰 크기(macroscale)의 모터들과 마찬가지로, 과산화수소 등과 같은 다양한 화학연료를 이용해 구동될 수 있다. 그러나 큰 모터들과는 달리, 일부 나노모터들은 연료 없이 자기장 혹은 음파 영역에 의해 구동될 수 있다. 본 연구에서, 과학자들은 처음으로 자기장 및 음파를 이용해 구동될 수 있는 나노모터(nanomotor)를 소개함으로써 최초의 자기-음파 하이브리드 무연료(fuel-free) 나노모터를 구현하는데 성공하였다.

캘리포니아대학 Joseph Wang 교수가 이끄는 연구팀은 새로운 종류의 나노모터에 대한 연구결과를 Nano Letters지에 게재하였다. 자기장 및 음파는 생체 적합성이 있고 의료분야에서 일반적으로 사용되고 있기 때문에, 연료를 사용하지 않는 나노모터는 생의학 분야에 특히 유용할 것으로 기대된다.

개발된 나노모터는 두 개의 분절로 구성되었기 때문에 자기장 및 음파에 모두 반응할 수 있다: 금 나노로드(nanorod) 분절은 초음파에 반응하며, 나노헬리컬(nanohelical) 자기 분절은 자기장에 반응한다. 나노모터의 전체 크기는 길이가 대략 3000nm (3 μm) 정도이다.

연구팀이 설명한 것처럼, 단일 기기에 동력을 부여하기 위해 서로 다른 장(field)을 사용하는 것은, 기기 작동에 따른 빠른 구조 변경이 가능하다는 장점이 있다. 예를 들어, 두 개의 다른 장을 변환시키면 움직임의 방향을 빠르게 변환시킬 수 있는데, 이는 각 장이 기기의 양 말단에 작용하기 때문이다. 게다가, 초음파 파장의 크기 및 자기장의 주파수를 조절함으로써 빠른 속도 조절이 가능하며, 회전 자기장을 이용하면 나선형 움직임을 유발하는 토크(torque)를 발생시킨다.

동력을 위해 연료 대신에 장을 사용하는 것은, 해수 및 혈액과 같이 매우 이온성이 높은 환경에서도 나노모터가 작동할 수 있다는 장점을 부여해 준다. 이런 매질은 화학적으로 구동되는 나노모터의 추진 메커니즘을 방해한다. 화학적으로 구동되는 나노모터는 자기장에 의해 유발되는 전기이동(electrophoresis)에 의존하기 때문이다.

개발된 나노모터 몇 개를 근접하여 위치시켰을 때, 어류의 무리와 같은 일부 생물학적 시스템에서 발견되는 집단행동과 유사한 거동을 나타내었다. 연구팀은 인가된 장에 따라 세 가지 변환가능한 집단거동을 발견하였다: 초음파 단독 사용시 안정적인 집합(aggregation), 자기장 단독 사용 시 방향성을 갖는 움직임 및 초음파와 자기장을 동시에 사용하였을 시 나타나는 소용돌이 형태의 거동이었다.

향후, 자기장 및 음파에 의해 구동할 수 있는 기회는 더욱 흥미로운 가능성을 제공해 줄 것이다: 환경변화에 따라 혹은 정해진 목표를 수행하기 위해 스스로 재구성되는 스마트 나노운반체(nanovehicle)가 가능할 것이다. 이런 능력은 영상, 약물전달 및 진단과 같은 생의학 분야에서 특히 유용하게 사용될 것이다. 그 외에도 인공 나노기계와 같이 나노크기의 조작과 조립과 같은 다양한 분야에서도 활용될 수 있다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』