팀이 모양을 개발합니다.

2023년 7월 6일

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홍콩 대학교

자연계에서는 부드러운 소재와 단단한 소재가 결합된 구조를 찾는 것이 일반적입니다. 이러한 구조는 생물학적 시스템의 다양한 기계적 특성과 기능을 담당합니다. 전형적인 예로서, 인간의 척추는 단단한 뼈와 부드러운 추간판이 교대로 쌓여 있는데, 이는 신체의 유연성을 유지하면서 인체를 지탱하는 필수 구조입니다.

자연의 연성-경질 구조를 모방하는 것은 원칙적으로 액추에이터 및 로봇과 같은 인공 재료 및 장치 설계에 영감을 줄 수 있습니다. 그러나 이러한 구조의 실현은 특히 재료 통합 및 조작이 매우 덜 실용화되는 미세 규모에서 매우 어려웠습니다.

생체 모방 마이크로 크기 재료의 발전을 목표로 홍콩 대학(HKU) 화학과의 Yufeng Wang 박사가 이끄는 연구팀은 부드럽고 부드러운 특성을 모두 갖춘 MicroSpine이라는 마이크로 크기 상부 구조를 만드는 새로운 방법을 개발했습니다. 척추 구조를 모방하고 모양을 변형시키는 특성을 지닌 마이크로액추에이터 역할을 할 수 있는 단단한 재료입니다. Science Advances에 발표된 이 획기적인 연구는 나노 입자와 미세 입자가 자발적으로 질서 있는 공간 패턴으로 조직되는 간단한 과정인 콜로이드 조립을 통해 달성되었습니다.

포유류부터 절지동물, 미생물에 이르기까지 많은 생물학적 유기체는 시너지 효과를 발휘하여 통합된 연질 성분과 경질 성분의 구조를 포함하고 있습니다. 이러한 구조는 마이크로미터에서 센티미터까지 다양한 길이로 존재하며 생물학적 시스템의 특징적인 기계적 기능을 설명합니다. 또한 외부 신호에 따라 모양이 바뀌거나 움직이거나 작동하는 액추에이터 및 로봇과 같은 인공 재료 및 장치의 생성이 촉진되었습니다.

연질-경질 구조는 거시적 규모(밀리미터 이상)에서 제작하기 쉽지만 마이크로 규모(마이크로미터 이하)에서는 구현하기가 훨씬 어렵습니다. 이는 기계적으로 구별되는 구성 요소를 더 작은 규모로 통합하고 조작하는 것이 점점 더 어려워지고 있기 때문입니다. 리소그래피와 같은 전통적인 제조 방법은 하향식 전략을 사용하여 소규모 구성 요소를 만들려고 할 때 몇 가지 제한 사항에 직면합니다. 예를 들어, 소규모 제조 공정은 더 복잡하고 더 높은 정밀도를 요구하기 때문에 낮은 수율이 발생할 수 있으며, 이로 인해 최종 제품의 결함 및 오류가 발생할 위험이 높아질 수 있습니다.

이 문제를 해결하기 위해 Wang 박사와 그의 팀은 콜로이드 조립이라는 다른 접근 방식을 취했습니다. 콜로이드는 사람 머리카락 크기의 1/100 크기의 작은 입자이며 다양한 재료로 만들어질 수 있습니다. 적절하게 조작되면 입자는 서로 상호 작용하여 자발적으로 질서 있는 상부 구조로 조립될 수 있습니다.

상향식 방법인 콜로이드 조립은 다양한 빌딩 블록에서 원하는 구조의 생성을 정밀하게 제어할 수 있고 더 높은 수율을 갖기 때문에 미세 구조를 만드는 데 유리합니다. 그러나 어려운 점은 입자를 원하는 연질-경질 구조로 조립하도록 안내하는 방법입니다.

팀은 척추를 디자인의 기초로 사용하여 높은 방향성과 특이성으로 조립할 수 있는 신흥 소재인 MOF(금속 유기 프레임워크)에서 파생된 새로운 입자를 발명했습니다. 또한 단단한 구성 요소인 이러한 MOF 입자는 부드러운 액체 방울과 결합하여 선형 사슬을 형성할 수 있습니다. 단단한 구성 요소와 부드러운 구성 요소는 체인에서 교대로 위치를 차지하여 척추 구조, 즉 MicroSpine을 모방합니다.