- 전체
- 물리
- 천체물리 - 우주(과학)
- 정보 (및 수학)
- 화학
- 생물 및 의학 (건강)
- 전기전자
- 지구과학 and 환경
- 사회과학
- 기계
- ITFIND 주간 기술 동향
- 월간 ICT 동향
- 인문학(과학)
물리 입자 클러스터링 현상을 설명할 수 있는 모델링 개발
2013.12.18 19:04
입자 클러스터링 현상을 설명할 수 있는 모델링 개발http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2013120622&service_code=03 | |
|---|---|
| KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2013-12-16 | |
| 화학적 반응에 추진되어 자체적으로 움직이는 박테리아와 같은 입자는 고정된 크기 또는 계속 성장하는 클러스터와 같이 다양한 정렬로 자체 정렬할 수 있다. 이런 거동의 이유가 연구자들에 의해서 컴퓨터 시뮬레이션으로 연구되었다. 이런 현상은 반대 방향의 힘 간의 균형에 의존한다. 이런 힘을 인위적으로 조절함으로써, 그것들의 미시적인 성분으로부터 조립되고 치유하는 물질 디자인이 가능하게 되 것이다. 박테리아와 같이 자율적으로 움직이는 입자 또는 화학적 반응으로 추진되는 것과 같은 입자들은, 고정된 크기 또는 계속 성장하는 클러스터와 같이 다양한 정렬로 자체 조직될 수 있다. 이런 거동에 대한 이유가 Physical Review Letters 및 Physical Review E 저널에 발표된 컴퓨터 시뮬레이션으로 논의되었다. 논문에 따르면, 이런 현상은 반대 방향의 힘 간의 균형에 의존한다. 인위적인 시스템 안에서 이런 힘을 조절함으로써, 그들의 미시적인 성분으로부터 조립되고 치유되는 물질 디자인이 가능하게 될 것이다. 자체 추진 또는 활동적인 입자들은 살아 있는 세계에서 흔하다. 예를 들면, 살아 있는 세포에서 분자 모터에 의해서 단백질 가닥을 따라 운반되는 패키지에서 무리를 지어 움직이는 새 떼 또는 물고기 떼와 같은 것이다. 과학자들은 이와 같은 입자들이 마이크로스코픽한 스케일에서 인위적으로 만들 수 있는 방법을 찾고 있다. 예를 들면, 모터 단백질을 합성 입자의 표면에 부착하거나 또는 화학을 이용하여 나노입자들을 용액을 통해 구동시키는 것이다. 이런 활성적인 입자들의 집단적인 거동을 이해하는 것은, 세포분열에 관련된 필라멘트의 별같은 클러스터 같은 세포가 어떻게 정교한 조직 구조를 형성하는지 설명하는데 도움이 될 수 있다. 또한 미세한 스케일에서 유용한 구조로 물질이 조직될 수 있는 새로운 방법을 알려 줄 수 있을 것이다. 이전의 일부 연구에서는, 입자들은 특정한 크기에 도달할 때까지 성장된 클러스터를 형성한다고 하였다. 이런 클러스터들은 “생존(living)”이라고 불린다. 그 이유는 입자들이 연속적으로 합치고 떠나며, 그러는 상황에서도 평균 클러스터 크기가 일정하게 유지되기 때문이다. 이에 비해서, 콜로이드 입자들은 활동성, 군집성이 부족하고 일단 성장되기 시작하면 한계가 없이 계속 진행되어 물 밖에 침전물로 정착된다. 다른 실험과 이론 연구로 활동적인 코로이드가 계속해서 성장하는 단일 밀집 클러스터로 군집을 이룰 수 있다는 것이 발견되었다. 반면에, 상호작용이 용액 안에 추가된 첨가물과 조율된 박테리아에 대한 실험은 이런 입자들의 활동성이 실제로 이런 군집을 억제할 수 있다는 것을 보였다. 일부 이전의 연구는 살아있는 클러스터들의 형성을, 입자들 사이의 인력 또는 입자들을 함께 미는 궁극적인 자체 추진 때문으로 설명하였다. 그러나 이렇게 외견상으로 서로 다르게 보이는 설명에 대한 더 깊은 일반적인 메커니즘이 존재하지 않을까? 이를 알아보기 위해서, 스페인 마드리드에 위치한 Complutense 대학의Chantal Valeriani와 그녀의 동료 연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 두 개의 매우 다른 종류의 활성화된 입자들을 연구하였다. 화학적으로 추진되는 금속 입자를 흉내내는 하나의 시스템에서, 입자들 사이에 끌어 당기는 인력이 있으며 그것들의 자체 추진은 그것들이 군집하려는 경향을 방해한다. 다른 시스템에서, 입자들이 서로 부딪혀 튕겨 나갈 때를 제외하고는, 입자들 사이의 상호작용은 없다. 그러나 자체 추진은 일단 특정한 거리 안에 입자들이 들어오면 서로를 향하여 입자들을 민다. 이런 두 번째 시스템은 모터 단백질이 부착된 유기 입자들이 단백질 필라멘트를 따라 잡아 당겨지는 실험을 흉내내었다. 이 자체는 살아있는 세포 안에서 유기적 구조의 프로세스를 흉내내는 것이다. 거의 반대적인 설정임에도 불구하고, 입자들의 집중이 너무 크지 않다면, 두 시스템은 살아있는 클러스터를 형성하였다. 연구진은 이런 거동에서 핵심적인 요소는 입자간 힘과 자체 추진 사이의 균형이라고 말하였다. 살아있는 클러스터들은 그것들이 비슷한 크기일 때, 이런 경쟁적인 경향이 있을 때마다 나타난다고 연구진은 말하였다. 연구진은 이런 두 영향의 비율이 클러스터의 평균 크기를 결정한다고 말하였다. 대략 말해서, 비록 정확한 메커니즘이 명확해져야 함에도 불구하고, 하나의 영향이 클러스터에서 다른 것이 그것들을 추가하자마자 신속히 새로운 입자들을 제거하는 점을 설정한다. 또 다른 시뮬레이션이 Physical Review E 저널에 미국 매사추세츠 Waltham에 위치한 브랜다이스 대학의 Michael Hagan과 그의 연구진에 의해서 발표되었다. 이들 연구진은 활성적인 입자들이 입자 간의 인력의 크기와 추진력의 세기를 변화시켜 가면서 2차원 평면상을 움직이는 거동을 자세하게 연구하였다. 이들 연구진은 단일의 밀집된 클러스터가 낮고 높은 추진력 세기에서 모두 형성될 수 있지만 인력이 매우 크지 않다면 중간 세기에서는 형성되지 않는다는 것을 발견하였다. 낮은 추진력의 경우, 군집은 인력에 의해서 구동되며, 높은 추진력의 경우 서로 밀게 되는 입자들에 의해서이다. 이런 두 연구가 일관된 것인지는 아직 분명하지 않다. 부분적으로 그 이유는 그들이 다른 입자 밀도를 고려하였기 때문이다. 브랜다이스 대학 연구진은 또한 중간 정도의 추진 세기에서 작은 클러스터를 보았지만, 그들은 이런 클러스터들을 모든 시스템이 상변이(phase transition)로 접근할 때 발생하는 예상된 밀도 변동으로 설명하였다. 크고, 밀집된 클러스터의 형성은 고체 또는 액체가 가스에서 응축되는 것처럼 상전이이다. 반면에 살아있는 클러스터들은 기술적으로 구별되는 상이 아니다. 영국 에딘버그(Edinburgh) 대학의 Michael Cates는 인력과 활동력 사이의 균형이 항상 살아있는 클러스터를 만들 것이라는 것에 대해서 회의적이다. 그와 그의 동료 연구진은 그들이 비록 Valeriani의 시뮬레이션보다 더 높은 밀도를 사용하였지만, 이론적 계산과는 반대되는 예를 발견하였다. 평형적인 힘과 활동력 사이의 이런 균형은 일정한 클러스터를 유도할 수 있지만, 아닐 수도 있다고 그는 말하였다. 계속적인 연구에 대한 동기 중의 하나는 활동적인 콜로이드가 미세한 입자들을 잘 정의된 구조로 조립될 수 있게 해준다는 것이다. 이런 구조의 크기는 활동력을 바꿈으로써 조율될 수 있다고 Valeriani는 설명하였다. 게다가, 클러스터들은 움직일 수 있고 그룹으로서 회전할 수 있다. 이것은 Valeriani와 그녀의 동료 연구진은 이전에 박테리아로 한 실험에서 보여졌다. Hagan은 활성적인 물질은 전통적인 물질에서 가능하지 않은 동적인 특성을 가진 새로운 종류의 물질을 구축할 수 있는 능력을 약속한다고 말하였다. 첨부그림: 활동적인 입자에 의해서 형성된 살아있는 클러스터들의 순간 포착 사진. 각 구별되는 클러스터들이 다른 색으로 보인다. | |
자료를 가져가실 때에는 출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』을 밝혀 주시기 바랍니다. | |
본 웹사이트는 광고를 포함하고 있습니다.
광고 클릭에서 발생하는 수익금은 모두 웹사이트 서버의 유지 및 관리, 그리고 기술 콘텐츠 향상을 위해 쓰여집니다.
광고 클릭에서 발생하는 수익금은 모두 웹사이트 서버의 유지 및 관리, 그리고 기술 콘텐츠 향상을 위해 쓰여집니다.
댓글 0
| 번호 | 제목 | 글쓴이 | 날짜 | 조회 수 |
|---|---|---|---|---|
| 2 |
어떻게 뉴런은 기억의 손실없이 재생되는가?
 | 졸리운_곰 | 2014.05.31 | 567 |
| 1 |
`외계의` DNA를 가진 최초의 생명체 탄생
| 졸리운_곰 | 2014.05.18 | 623 |