연구팀은 구심력을 이용해 입자를 손쉽게 조절하는 동적 자기조립 방식을 고안, 기존에 보고되지 않았던 2종류의 입자로 구성된 구조로 만들었다. 

원통형 입자 조립은 한 축을 중심으로 빙 둘러싸는 원기둥 모양을 말한다. 자연계에서는 솔방울, 식물 줄기, 물고기 비늘 등이 축을 대칭삼아 원통형으로 형성된다. 

실험실에서 입자를 조립하는 방식은 두 가지로, 외부 힘없이도 내부 물질끼리 정렬해 구조화하는 자기조립(self-assembly)과 외부 힘이 가해지는 비평형 상태에서 자기조립을 하는 동적 자기조립(dynamic self-assembly)이 있다. 

기존에는 원통형 구조를 만들 때 자기조립 방식을 이용했다. 입자들 고유의 물성에 따라 끌어당기는 힘을 계산해 설계했다. 다양한 방식이 제안됐지만 원통형 구조를 효율적이면서 체계적으로 연구하기가 힘들었다. 복잡하게 얽힌 입자 간 인력 조절이 어려웠기 때문이다. 

반면 동적 자기조립 방식은 평형을 벗어난 상태에서 이뤄진다. 자기조립을 촉발하는 요인이 외부에 있기 때문에 전체 시스템의 변화를 조절할 수 있는 장점이 있다. 

연구팀은 지난 2000년 동적 자기조립 개념을 처음으로 제시하고 자기장, 빛 등 다양한 요인으로 자기조립이 발생하는 체계를 연구해 왔다. 

연구팀은 가느다란 원통에 1.5mm 크기의 입자와 이 입자보다 무거운 액체를 넣고 회전시켰다. 회전하는 힘(구심력)이 물체가 떠 오르는 힘(부력)보다 커지자 입자들이 축에 모이며 다양한 원통형 구조가 형성됐다. 회전하는 원통 속 가벼운 물질은 안쪽에 무거운 물질이 바깥쪽에 몰리는 현상을 이용한 것이다. 

이에 5가지 종류의 구조를 얻어 냈다. 회전 가속도에 따라 한 구조에서 다른 구조로 변경 가능했으며 원통을 기울이면 나선 방향의 구조를 조절 할 수 있다. 

연구팀은 나아가 2종류의 입자로 구성된 원통형 구조를 만들었다. 가벼운 입자가 중심축으로 무거운 입자가 바깥으로 몰리는 것을 이용해 기존에는 구현할 수 없었던 구조를 동적 자기조립 방식으로 구현한 것이다. 

이태훈 연구원은 "이번 연구로 비평형 상태에서 복잡다양하게 조립, 변화하는 생명활동을 이해하는 데 한 발짝 다가섰다"며 "1~10마이크로미터 크기의 입자가 응용성이 큰 만큼 매우 미세한 입자의 조립도 성공하는 게 목표"라고 말했다. 

이번 연구는 재료분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 지난달 8일 온라인판에 실렸다.