나노모터

나노모터는 에너지를 운동으로 변환할 수 있는 분자 또는 나노 크기의 소자다. 그것은 전형적으로 피코뉴턴의 순서에 따라 힘을 발생시킬 수 있다.^[1][2][3][4]

나노입자는 유명한 리큐르구스 컵에서처럼 수세기 동안 예술가에 의해 활용되어 왔지만, 나노기술에 대한 과학적인 연구는 최근까지 이루어지지 않았다. 1959년 리차드 파인만은 칼텍에서 열린 미국물리학회 학술대회에서 "밑바닥에는 충분한 공간이 있다"는 제목의 유명한 강연을 했다. 그는 계속해서 어느 쪽에서도 400 µm 이하의 모터를 설계할 수 없다는 과학적인 내기를 걸었다.^[6] (대부분의 과학적인 베팅과 마찬가지로) 내기의 목적은 과학자들에게 새로운 기술을 개발하도록 고무시키는 것이었고, 나노 단자를 개발할 수 있는 사람이라면 누구나 1,000달러의 상금을 청구할 수 있었다.^[6] 그러나 새로운 방법을 개발하지 않고 나노모터를 조작한 윌리엄 맥렐런에 의해 그의 목적은 좌절되었다. 그럼에도 불구하고, 리처드 파인만의 연설은 새로운 세대의 과학자들이 나노 기술에 대한 연구를 추구하도록 고무시켰다.

나노 로봇은 낮은 레이놀드 수치로 존재하는 미세유체 역학을 극복하는 능력에 연구의 초점이 맞춰져 있다. 스캘럽 이론은 나노미터가 대칭을 깨야 레이놀드의 낮은 숫자로 움직임을 만들어 낸다고 설명한다. 또한 입자-솔루션 상호작용이 나노모터의 액체를 통과하는 능력에 극적으로 영향을 미칠 수 있기 때문에 브라운 운동을 고려해야 한다. 이것은 새로운 나노단자를 설계할 때 중요한 문제를 일으킬 수 있다. 현재의 나노미터 연구는 이러한 문제들을 극복하기 위해 노력하고 있으며, 그렇게 함으로써 현재의 미세유체 장치를 개선하거나 새로운 기술을 창출할 수 있다.^{[citation needed]}

낮은 레이놀즈 수치로 미세유체 역학을 극복하기 위한 중요한 연구가 이루어졌다. 이제, 더 시급한 과제는 나노모터를 인체 내 무란성 용도에 사용할 수 있기 전에 생체적합성, 방향성 제어 및 연료의 가용성 등의 문제를 극복하는 것이다.^[7]

나노튜브와 나노와이어 모터

2004년에 아유스만 센과 토마스 말루크는 최초의 합성 나노모터를 조작했다.^[8] 2미크론 길이의 나노미터는 백금과 금의 두 부분으로 구성되었는데, 이것은 물 속의 과산화수소와 촉매적으로 반응하여 움직임을 만들어낼 수 있다.^[8] Au-Pt 나노미터는 화학 구배 촉매 생성을 통한 추진에서 비롯되는 자율적이고 비브라운 운동을 가지고 있다.^[8][9] 암묵적으로, 그들의 동작은 움직임을 유도하기 위해 외부 자기장, 전기장 또는 광학장의 존재를 요구하지 않는다.^[10] 이 모터들은 그들만의 지역적 영역을 창조함으로써 자기 전기로부터 움직인다고 한다. 2008년 조셉 왕(Joseph Wang)은 탄소 나노튜브를 플래티넘 세그먼트에 통합시킴으로써 Au-Pt 촉매 나노튜브의 움직임을 극적으로 향상시킬 수 있었다.^[11]

2004년 이후, 다양한 모양의 나노와 마이크로모터 외에도 다양한 종류의 나노튜브와 나노와이어 기반 모터가 개발되었다.^{[12][13][14][15]} 이러한 모터의 대부분은 과산화수소를 연료로 사용하지만, 몇몇 주목할 만한 예외는 존재한다.^[16][17]

이러한 은빛 할로겐화물과 은빛 플라티넘 나노토터는 할로겐화 연료에 의해 동력을 공급받는데, 이것은 주변 빛에 노출되어 재생될 수 있다.^[17] 일부 나노미터는 다양한 반응으로 여러 자극에 의해 추진될 수도 있다.^[19] 이러한 다기능 나노와이어는 작용하는 자극(예: 화학연료 또는 초음파 출력)에 따라 다른 방향으로 이동한다.^[19] 예를 들어, 바이메탈 나노미터는 화학적 자극과 음향적 자극의 조합에 의해 유체 흐름과 함께 또는 반대로 이동하기 위해 회전축을 거치는 것으로 나타났다.^[20] 독일 드레스덴에서는 압연된 마이크로튜브 나노모터가 촉매 반응에서 거품을 이용해 움직임을 만들어냈다.^[21] 정전기 상호작용에 의존하지 않고 거품 유도 추진은 관련 생물학적 유체에서 모터 이동을 가능하게 하지만, 일반적으로 과산화수소 같은 유독성 연료를 필요로 한다.^[21] 이것은 나노미터의 체외 적용에 한계가 있다. 그러나 마이크로튜브 모터의 생체내 적용은 위산을 연료로 사용하는 조셉 왕과 량팡 장에 의해 처음으로 설명되었다.^[22] 최근에는 이산화티타늄도 부식 저항성 특성과 생체적합성 때문에 나노미터의 잠재적 후보지로 확인되고 있다.^[23] 촉매 나노기자에 대한 향후 연구는 세포 분류 마이크로칩 장치에서부터 지시된 약물 전달에 이르는 중요한 화물 도하 응용에 대한 주요한 가능성을 가지고 있다.

효소 나노단자

최근 효소 나노단말기와 마이크로펌프 개발에 대한 연구가 활발해지고 있다. 레이놀드의 낮은 수치에서는 단일 분자 효소가 자율 나노미터의 역할을 할 수 있다.^[24][25] 아유스만 센과 사모드라 센굽타는 자가 구동 마이크로펌프가 어떻게 입자 수송을 강화시킬 수 있는지를 보여주었다.^[26][27] 이 개념 증명 시스템은 효소가 나노미터와 마이크로펌프에서 "엔진"으로 성공적으로 활용될 수 있다는 것을 보여준다.^[28] 그 후 입자 자체가 기질 용액에 활성 효소 분자로 코팅되면 더 빨리 확산된다는 것이 밝혀졌다.^[29][30] 또한, 미유체 실험을 통해 효소 분자가 기질 구배 위로 헤엄쳐 올라가는 방향을 경험하게 될 것으로 관찰되었다.^[25][31] 이것은 활동만으로 효소를 분리하는 유일한 방법으로 남아 있다. 또한, 캐스케이드 내 효소는 기질 구동 화학적 축에 근거한 집적도 보였다.^[32] 효소 추진 나노단자를 개발하면 새로운 생체 적합성 기술과 의료 응용을 촉진할 수 있다.^[33] 새로운 생체 적합 기술 중 하나는 화물의 방향 전달을 위해 효소를 이용하는 것이다.^[34][35]

제안된 연구 분야는 살아있는 세포에서 발견되는 분자 운동 단백질을 인공 장치에 이식한 분자 운동 단백질로 통합하는 것이다. 그러한 운동 단백질은 키네신이 세포 내부의 미세관 궤도를 따라 다양한 분자를 이동하는 방법과 유사하게 단백질 역학을 통해 그 장치 안에서 "카고"를 움직일 수 있을 것이다. 그러한 운동 단백질의 움직임을 시작하고 멈추는 것은 UV 빛에 민감한 분자 구조에서 ATP를 계장하는 것을 포함할 것이다. 따라서 UV 조명 펄스는 이동 펄스를 제공할 것이다. DNA 나노기기는 다양한 외부 트리거에 대응하여 DNA의 두 분자적합성 사이의 변화를 기반으로 한 것으로도 설명되어 왔다.

나선 나노단자

또 다른 흥미로운 연구 방향은 회전하는 자기장을 이용하여 조작할 수 있는 자성 물질로 코팅된 나선형 실리카 입자를 생성하게 했다.^[36]

그러한 나노미터는 추진력을 높이기 위한 화학 반응에 의존하지 않는다. 3축 헬름홀츠 코일은 우주에서 방향 회전장을 제공할 수 있다. 최근 연구들은 그러한 나노미터가 뉴톤이 아닌 유체의 점도를 측정하는데 어떻게 사용될 수 있는지를 몇 미크론 정도의 분해능으로 보여주었다.^[37] 이 기술은 세포 내부의 점성도와 세포외 환경을 조성할 것을 약속한다. 그러한 나노미터는 피 속에서 움직이는 것이 증명되었다.^[38] 최근, 연구원들은 암세포 안에서 그러한 나노미터들을 통제할 수 있게 움직여서 세포 내부의 패턴을 추적할 수 있게 했다.^[5] 종양 미세 환경을 통해 이동하는 나노미터는 암이 분비되는 세포외 기질에서 시알산의 존재를 입증했다.^[39]

전류 구동 나노단자(클래식)

2003년 Fennimore 등에서는 시제품 전류 구동 나노모터의 실험적인 실현을 제시했다.^[40] 그것은 다원형 탄소 나노튜브에 장착된 아주 작은 금 잎에 기초했고, 탄소 층이 스스로 움직임을 수행했다. 나노모터는 대체 전류가 인가되는 3개의 관문 전극과 금박잎의 정전기적 상호작용에 의해 구동된다. 몇 년 후, 몇몇 다른 그룹들은 직류에 의해 구동되는 다른 나노미터의 실험적인 실현을 보여주었다.^[41][42] 설계는 일반적으로 금속 표면에 흡착된 유기 분자와 그 위에 스캐닝-터널-마이크로스코프(STM)가 얹혀져 있었다. STM의 끝에서 흐르는 전류는 분자^[42] 또는 그 일부의 방향 회전을 구동하는 데 사용된다.^[41] 그러한 나노미터의 작동은 고전물리학에 의존하며 브라운 모터의 개념과 관련이 있다.^[43] 이러한 나노미터의 예는 분자 운동으로도 알려져 있다.

전류구동 나노미터에서의 양자효과

양자역학은 크기가 작기 때문에 일부 나노미터에서 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 2020년 스톨츠 외 연구진은 STM의 전류에 의해 구동되는 회전 분자로 만들어진 나노단자에서 고전적인 움직임에서 양자 터널링까지의 교차 과정을 보여주었다.^[44] 냉온 원자 기반의 ac-driven 양자 모터는 여러 저자들에 의해 탐구되어 왔다.^[45][46] 마지막으로, 역 양자 펌핑은 나노미터 설계를 위한 일반적인 전략으로 제안되었다.^[47] 이 경우 나노단자를 단극 양자 모터라고 부르는데, 전자의 양자성을 이용하여 소자의 성능을 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있었다.

참고 항목

• 탄소나노튜브
• 정전기 모터
• 분자 운동
• 나노카
• 단열 양자 모터
• 나노기계학
• 단백질역학
• 합성분자모터
• 마이크로모터

참조

외부 링크

• Berkeley.edu – 물리학자들은 세계에서 가장 작은 모터를 만든다.
• 나노튜브 나노모터 연구 프로젝트
• 노노모토르
• 나노기술, 나노미터, 나노펌프