섬모는 칩으로도 사용할 수 있어요! 코넬대학교 중국 박사과정 학생의 작품이 네이처 표지에 실렸습니다.

칩을 만들 때 가장 중요한 단계는 무엇인가요?

트랜지스터 밀도를 높이고 컴퓨팅 성능을 높이기 위해 고급 제조 공정을 사용하는 것 외에도 칩 내 내부 신호의 전송 및 제어도 필수적인 부분입니다.

"섬모칩", 알고 싶으신가요?

물론 먼저 섬모가 하는 일을 살펴보겠습니다.

섬모는 살아있는 유기체에서 가장 부지런한 전달자이자 전달자라고 할 수 있습니다. 더 직접적으로 말하자면, 그들은 액체의 가장 유연한 "포터"입니다.

리듬적인 박동을 통해 이 가느다란 털은 뇌의 뇌척수액을 포함한 체액을 체내로 운반하고, 폐에서 가래와 먼지를 제거하며, 다른 인간 장기와 조직을 깨끗하게 유지합니다.

수년 동안 사람들은 컴퓨팅 및 제어 분야에서 섬모의 마법적인 능력을 흡수하거나 "빌려"오길 희망해 왔습니다.

그러나 미시적인 수준입니다. 이 유기체에서 "기적"을 재현하는 것은 매우 어렵습니다. 지난 몇 년 동안 광학, 자기 및 전기 드라이브에 대한 연구가 많은 진전을 이루었지만 엔지니어링 응용 가치를 갖춘 "섬모 구동" 플랫폼은 여전히 ​​​​실현하기 어렵습니다.

이제 이 어려움은 코넬 대학교 연구진에 의해 해결되었습니다.

그들은 섬모를 사용하여 미세한 규모로 액체의 움직임을 제어할 수 있는 백금 기반 구성 요소를 사용하여 소형 인공 섬모 시스템을 설계했습니다. 미래에는 혈액 샘플을 테스트하거나, 세포 활동을 조작하거나, 미세 가공 공정을 지원하는 데 사용할 수 있는 저비용의 휴대용 진단 장치를 구현하는 것이 가능할 수도 있습니다.

현재 이 연구를 발표한 논문은 최신 Nature지에 게재되었습니다. 첫 번째 논문은 중국 박사과정 학생 Wang Wei(위 사진)이고, 두 번째 논문은 중국 박사후 연구원 Liu Qingkun의 최신 논문입니다. 2300회 이상 인용되었으며 H-index는 24입니다.

Wang Wei는 빛, 자기 또는 정전기력에 의해 구동되는 인공 섬모를 만드는 방법은 이미 많이 있지만, 우리는 개별적으로 제어 가능한 인공 섬모를 만들기 위해 새로운 나노액추에이터를 사용한 최초의 팀이라고 말했습니다.

논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41586-022-04645-w.pdf

이 Nature 논문에서 연구자들은 전자 드라이브를 만듭니다. 인공 섬모는 활성 메타표면을 가지며 표면 근처의 액체에서 임의의 흐름 패턴을 생성할 수 있습니다.

연구원들은 먼저 표면 흐름을 구동하기 위해 1V의 구동 전압 하에서 초당 수십 마이크로미터의 속도로 단방향으로 움직이는 전압 구동 섬모를 구성했습니다. 섬모 단위 셀은 일련의 요소 흐름을 국부적으로 생성하고 다양한 기하학적 모양을 형성할 수 있습니다.

표면 전기화학 액추에이터를 기반으로 한 인공 섬모

이러한 단위 셀을 결합하여 연구원들은 원하는 흐름 패턴과 이러한 모드 간의 유연한 전환을 생성할 수 있는 활성 섬모 메타표면을 만들었습니다.

이러한 결과는 실험과 이론적 계산을 통해 최종적으로 확인되었습니다.

연구원들은 이러한 결과가 미세유체 펌핑부터 마이크로로봇 이동에 이르기까지 다양한 응용 분야를 통해 미래의 미세한 미세유체 조작을 위한 새로운 길을 열어준다고 말했습니다.

인공 섬모의 현미경 보기

일반적인 "섬모 칩"은 16개의 정사각형 단위로 구성되며, 각 단위에는 8개의 섬모 배열이 있고, 각 배열에는 8개의 섬모가 있으며, 각 섬모의 길이는 약 50 마이크론입니다. , 약 1,000개의 인공 섬모로 구성된 "카펫"을 형성합니다.

각 섬모에 진동 전압을 가하면 표면에 주기적인 산화, 환원이 일어나 섬모가 앞뒤로 휘어지며 초당 수십 마이크로미터의 속도로 액체를 펌핑하게 됩니다.

다양한 섬모 배열이 독립적으로 활성화될 수 있으므로 살아있는 유기체의 섬모만큼 유연한 끝없는 흐름 패턴과 경로가 생성됩니다.

이 연구는 논문의 교신저자이자 코넬대학교 물리학 교수인 Itai Cohen이 주도했으며, 섬모 장치의 핵심 구성 요소인 백금 기반 전기 액추에이터를 기반으로 구축되었습니다.

Cohen 팀은 이전에 마이크로 로봇이 걸을 수 있는 유사한 시스템을 구축했습니다. 실제로 마이크로로봇이 "다리를 구부리게" 만드는 기계적 원리는 이 연구와 매우 유사하지만, 섬모 시스템의 구체적인 기능과 적용은 다르며 상당히 유연합니다. Cohen은 "이러한 섬모를 개별적으로 처리할 수 있으면 원하는 방식으로 이러한 유체를 정밀하게 조작하고 제어할 수 있습니다"라고 Cohen은 말했습니다. 간단히 말해서, 모든 것이 가능합니다. "물 속에서 작동하고 전기적으로 처리 가능하며 기존 플랫폼을 사용하여 흥미로운 전자 장치와 통합될 수 있는 작은 섬모를 만드는 것은 항상 매우 어려웠습니다. 이제 그 문제가 해결되었습니다. 이 플랫폼을 사용하면 차세대 미세유체 장치 개발이 기대된다”고 말했다.

또한, 연구팀은 CMOS 시계 회로를 탑재한 섬모 장치도 개발했는데, 이는 실제로 섬모가 전통적인 컴퓨터 시스템에 얽매이지 않고 작동할 수 있게 하는 '전자 두뇌'의 기반도 제공합니다. 현장에서 수행되는 저렴한 진단 테스트가 가능한 일련의 장치 개발을 위한 문이 열립니다.

Cohen은 미래에는 사람들이 이 작은 1cm 정사각형 장치로 모든 테스트를 수행하고 혈액 한 방울만 떨어뜨리는 것이 가능하다고 말했습니다. 펌프나 다른 장비가 필요하지 않습니다. 햇빛에 놓아두기만 하면 작동하며 비용은 약 $1~$10에 불과합니다.

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