외부 환경조건에 반응하여 프로그래밍된 거동을 하는 마이크로 스케일의 지능형 입자는 차세대 수술용 마이크로 로봇 및 우주탐사용 소프트 로봇 등의 핵심요소로 대두되고 있지만, 대량생산을 하기 위한 에멀전 (emulsion) 공정에 적합하지 않은 한계를 갖고 있다. 특히, 에멀전 공정 시 입자들은 전단응력에 불규칙하게 노출되며 서로 충돌하기 때문에, 이방성 (anisotropy)을 갖는 균일한 입자를 생산하는데 큰 어려움이 존재하였다. 

서강대 김상엽 교수와 예일대 연구팀은 요변성 (Thixotropic) 용액의 면찰담화 (Shear-thinning) 현상을 이용하여, 에멀전 공정을 통해서도 다양한 종류의 지능형 입자들을 대량으로 생산할 수 있는 기술을 개발하였다. 옥수수전분물로 대표되는 요변성 용액은 전단응력이 가해졌을 때 그 점도가 줄어드는 유변학적 특성을 갖고 있는데, 이를 역이용함으로써 에멀전 공정에서 입자들이 물리적으로 고정된 상태에서 생성될 수 있는 길을 열었다.

이를 통해 전단응력과 충돌에 노출되지 않는 입자들은 균일한 형태를 유지할 수 있게 되었으며, 야누스 입자 (Janus particle)나 일방향 자성 입자 (Unidirectionally-magnetized particle) 등의 지능형 입자를 대량으로 생산할 수 있게 되었다. 이와 같은 지능형 입자는 인체 내부를 자유롭게 유영하며 약물을 전달하는 마이크로 로봇이나 임무에 따라 본체의 유연성이 변하는 우주탐사용 소프트로봇의 개발을 앞당길 것으로 기대된다.

또한 요변성 용액의 유변학적 내부응력을 이용, 에멀전 공정 시 일반적으로 사용되는 계면활성제를 사용하지 않았기 때문에 실제 산업체들에 친환경 기술로 폭넓게 적용될 것으로 예상된다.

*논문제목: Static-state particle fabrication via rapid vitrification of a thixotropic medium
*논문 주저자: 김상엽 교수 (1저자, 서강대), Rebecca Kramer-Bottiglio 교수 (교신저자, 예일대)
*논문정보: https://www.nature.com/articles/s41467-021-23992-2