독일의 물리학자들은 레이저광 및 열에 의존하는 마이크로-크기 입자들을 포획할 수 있는 방법을 개발하였다. 이 광열(optothermal) 트랩은 광결정 섬유 주위에서 제작되었으며, 마이크로 입자 포획의 새로운 방법이 될 수 있을 것이다. 이 기술은 미세한 입자에 작용하는 열힘을 정밀하게 측정할 수 있도록 하여주며 마이크로 입자를 구별하거나 모으는데도 사용될 수 있을 것이다.

지난 20년 동안, 빛으로 마이크로스코픽한 스케일의 작은 입자들을 포획하는 것이 가능하였다. 1986년 미국 벨 연구소의 과학자들이 광학 집게(optical tweezers)라고 알려진 것을 발명하면서, 이 도구가 작은 입자를 광학적으로 포획하는데 있어서 핵심적인 역할을 하게 되었다. 이 도구는 집중된 레이저 빛으로 중심 공간에 마이크로입자들을 포획할 수 있는 것이다. 이 현상은 유전체 입자가 레이저빔이 집중된 강한 전기장 안으로 끌려가기 때문이다.

광학 집게는 이제 세포나 바이러스와 같은 생물학적 마이크로 스케일의 입자를 포획하고 조작하는데 일상적으로 이용되고 있다. 그러나 마이크로 입자를 포획하는데 있어서 빛만이 유일한 방법은 아니다. 빛의 흡수에 의해 생성된 열적인 힘도 그와 비슷한 역할을 할 수 있다. 예를 들면, 레이저는 입자의 한쪽 면만을 가열하여 그것으로부터 반발하여 되튕기는 분자들은 그것들이 부딪히는 면에 따라 다른 양의 운동량을 받는다. 그 효과는 공기 중에서 1센티미터가 넘는 거리에 걸쳐 입자들을 포획하거나 수송하는데 사용될 수 있다.

이제 독일 막스 프랑크의 광 연구소 과학자인 올리버 슈미트(Oliver Schmidt,), 티지멘 유저(Tijmen Euser)와 동료 연구진은 마이크로입자를 포획하는데 있어서 다른 방법을 고안하였다. 그들의 디바이스에서, 약 6마이크로미터 직경의 마이크로 입자가 속이 빈 광결정 섬유 안에 가두어져 있다. 이것은 내부 직경이 12마이크로미터이고 외부 직경은 100마이크로미터인 투명한 섬유이다. 레이저 빛은 마이크로 입자를 공기가 찬 코어를 따라 움직이게 하지만, 섬유 주위의 블랙 밴드에 접근하면, 그것은 정지하게 된다.

이 방법은 높은 온도를 가진 면과 낮은 온도를 가진 면 사이의 온도 기울기(temperature gradient)를 가진 표면에 매우 근접하게 존재하는 "열적 크리프 흐름(thermal creep flow)"으로 알려진 현상 때문에 가능한 것이다. 공기 중의 뜨거운 분자들은 차거운 분자보다 더 많은 운동량을 표면에 전달할 것이다. 이것은 표면이 전반적인 힘을 차가운 방향으로 받는다는 것을 의미한다. 반응에서, 코어의 중심부에 있는 공기는 차가운 쪽에서 뜨거운 쪽으로 흐르는, 반대방향의 흐름을 보여준다.

막스 플랑크 그룹이 개발한 디바이스에서, 열적 기울기는 마이크로 입자의 빛 산란에 의해 생성된다. 결과적인 열적 기울기로 인해 공기의 흐름은 코어 표면을 따라 움직인다. 이것은 뜨거운 점으로부터 떨어진 반대방향의 코어 중간을 따라 움직이는 공기의 흐름과 균형을 이루어 대류를 닮은 구조를 생성한다. 이런 복잡한 일련의 행동은 레이저가 밴드에서 마이크로 입자를 밀고 포획하는 것에 대항하는 점성적인 견인력(drag force)을 효과적으로 만들어 낸다.

연구진은 이전의 광열(optothermal) 트랩과는 달리, 자신들의 디바이스는 빛을 흡수하는 마이크로 입자를 필요로 하지 않는다고 말하였다. 더구나, 방사 및 점성력은 레이저의 출력에 비례하여 커진다. 이것은 포획이 레이저 출력에 의존하지 않는다는 것을 의미한다. 연구진은 트랩이 이른바 “랩온어칩(lab on a chip)” 시스템에 응용될 수 있을 것이라고 말하였다. 이 시스템에서 마이크로입자들은 다양한 분석이 수행되면서 미세한 칩 주위를 움직일 수 있다. 또는 밴드가 실제 가열 요소로 치환되면, 트랩은 마이크로입자들의 물리적 특성에 따라 입자들을 분류하는데 사용될 수 있을 것이다. 그리고 그것은 마이크로입자에 가해지는 열적 힘을 측정하는데도 사용될 수 있다.

작고, 전기적으로 조절 가능한 가열 요소는 마이크로유체 채널을 통해 특정한 위치에 놓일 수 있을 것이라고 연구진은 말하였다. 스위치가 켜졌을 때, 유도된 열적 기울기 흐름은 입자를 포획하거나 또는 그것들을 분류하는데 사용될 수 있다. 그와 같은 국재적인 가열 요소는 어떤 광학적 연결을 필요로 하지 않기 때문에 설치하기가 쉽다.

독일 루드위그 맥시밀리안(Ludwig Maximilians) 대학의 바이오물리학자인 디어터 브라운(Dieter Braun)은 바이오 분자들의 포획과 검출을 위해서, 섬유는 형광 이미징을 위한 조율을 필요로 할 것이라고 말하였다. 그러나 그는 속이 빈 섬유는 매우 독창적이라고 덧붙였다. 그것의 잠재적인 응용은 매우 많으며 앞으로 더 많이 연구되어야 할 것이라고 말하였다. 이들의 연구 결과는 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters) 저널에 발표되었다.

첨부그림 1: 마이크로 입자를 포획하는데 사용되는 광결정 섬유의 단면적. 광섬유의 외부 직경은 100마이크로미터이고 내부 직경은 약 12마이크로미터이다.

첨부그림 2: 광결정 섬유에서 미세한 입자가 어떻게 포획되는지를 보여주는 그림. 열적 핫스팟(hotspot)은 오렌지 색으로 보여지고 있다.