인공 마이크로 및 나노 모터는 설정된 약물 전달, 마이크로칩 진단학 혹은 환경 치유 등 다양한 응용에 대한 가능성으로 현재 많은 관심을 받고 있다. 특히, 촉매 나노와이어("Another nanotechnology step towards `Fantastic Voyage`), 마이크로 튜브("Microbots transport, assemble and deliver micro- and nanoscale objects"), 구형 야누스 마이크로 입자들("Novel motor system powered by polymerization")과 같은 자체 추진되며 화학적으로 강력한 마이크로/나노 모터들에 대한 관심이 집중되고 있다.

샌디에이고 캘리포니아 대학의 나노 엔지니어링과의 조 왕(Joe Wang) 교수는 “지난 10년 동안 주요 진보가 작은 인공 기계들의 성능을 크게 진보시켰음에도 불구하고, 이러한 촉매 모터들은 대부분 실제 응용들에 방해되는 외부 과산화수소 연료에 의존하고 있다. 다양한 수술들과 새로운 환경들에 대해 화학적으로 강력한 나노 모터들의 범위 확대를 위해서는 새로운 촉매 물질들과 반응들과 관련하여 새로운 본래 연료들의 정의가 필요하다. 분명히, 물은 실제 나노 기계 응용의 주요 연료로서 이상적인 선택”이라고 이 신기술에 대해 말한다.

"Water-Driven Micromotors"라는 제목으로 ACS Nano에 게재된 최근 연구에서, 연구팀은 일반적인 과산화수소 연료의 필요를 없애고 물로 구동된 거품 추진 마이크로모터의 첫 번째 예를 실현했다고 보고했다. 물분해 반응이 외부 전기장에서 양극 전기화학 나노 모터들을 구동하기 전에 사용됨에도 불구하고, 물분해 반응은 자체 추진되며 화학적으로 강력한 마이크로모터들의 운동을 위하여 사용되지 않았다.

태양 연료원으로 물을 사용하여 자체적으로 추진되는 화학적으로 강력한 마이크로모터의 첫 예를 나타냄으로써, 연구팀은 화학적으로 강력한 나노 기계들의 환경과 응용들의 범위를 크게 확대하였다. 이전 연구에서 왕 교수와 연구원들은 연료들로서 강산에 의존하는 이미 수소 거품 추진 아연 기반 마이크로로켓들을 설명하였다.

특히, 왕 교수는 “이러한 물 구동 마이크로모터들은 보통의 과산화 연료의 사용이 바람직하지 않거나 가능하지 않은 약 전달에서 마이크로칩 진단학 영역까지 마이크로모터들의 다양한 생물의학 혹은 산업 응용에 커다란 영향을 미칠 수 있다”고 말한다.

효율적이면서 자율적인 움직임을 위해 필요한 거품 추진력을 생성하기 위하여 물을 사용하는 목표를 달성하기 위하여, 연구원들은 물의 수소를 감소시키기 위하여 알루미늄의 사용에 초점을 맞추었다. 이를 위하여, 연구원들은 가장 적당한 알루미늄 합금 구성을 만들었다. 그리고, 연구원들은 티타늄 층을 가지는 Al-Ga 마이크로입자의 일측이 코팅에 기반된 거품 추진 구형 야누스 마이크로모터를 디자인하였고, 이러한 물 추진 Al-Ga/Ti 마이크로 입자들을 제조하기 위한 새로운 마이크로 컨택 루트를 개발하였다.

특히, 제조 과정은 다음의 주요 과정들을 포함한다. 알루미늄 입자들(평균 사이즈 20μm)과 액체 갈륨은 1:1 질량 비율로 분리된 유리 상에 퍼진다. 이후, 두 슬라이드들은 Al-Ga 합금이 마이크로 컨택 혼합으로 형성될 때까지 함께 프레스되었다. 이 기간 동안 갈륨은 아우터 합금층을 형성하기 위하여 알루미늄 입자들을 뚫고 들어갔다. 그 뒤에, Al-Ga 마이크로 입자들의 일측은 대칭 야누스 마이크로 구조를 형성하기 위하여 전자빔 증착을 통해 티타늄 층으로 코팅되었다. 간단한 음파처리는 유리 슬라이드들로부터 마이크로모터들을 분리하였다.

마이크로 입자들은 수소 거품들의 자발적인 생성을 이끄는 물과 알루미늄 합금 사이에서 빠르게 반응하도록 물이나 미생물 접촉제와 같은 다른 액체들과 접촉한다. 이러한 노출된 Al-Ga 합금 반구측으로부터의 수소 거품 방출은 강력한 방향성 추진력을 제공한다. 거품 방출의 강한 운동량은 초당 150 몸길이와 대응하도록 초당 3mm의 속도에서 마이크로모터를 추진시킨다.

왕 교수는 미래의 노력들이 마이크로 구조와 구성의 신중한 조절을 통해 합금 반응성을 향상시킴으로써 물로 구동되는 마이크로모터들의 추진력 향상을 달성시킬 것이라고 말한다. 또한, 왕 교수는 연장된 모터 수명과 더 높은 효율성을 제공할 수 있는 새로운 물 분해 촉매 반응들과 물질들을 조사하고 이렇게 물로 구동되는 마이크로모터들의 실질적인 응용들을 설명할 것이라고 한다.

그림 설명: 물로 구동되는 야누스 마이크로모터는 부분적으로 코팅된 Al-Ga binary alloy 마이크로 구로 구성된다. 어두운 반구(왼쪽)는 Al-Ga 합금을 나타낸다. 반면에, 녹색 영역(오른쪽)은 구의 측면에 코팅된 대칭 Ti를 나타낸다. 노출된 Al-Ga 합금 반구 측으로부터 수소 거품들의 물과 접촉하는 방향으로의 방출은 강력한 방향성 추진력을 제공한다.

[출처 : KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑(GTB)』]