빛도 물체에 힘을 가할 수 있다. 빛에 의한 힘을 광압이라고 부른다. 미시적인 규모에서 광압을 이용하면 마이크로미터의 작은 물체들을 집어 위치를 움직일 수 있다.
1970년대 미국 벨연구소의 아서 아쉬킨은 레이저 빛을 초점으로 모으면 수 마이크로미터 크기의 물체가 초점에 붙잡히고, 초점의 위치를 움직이면 붙잡힌 물체도 따라서 움직이게 되는 현상을 발견하고 이를 ‘광학 집게’라 이름 붙였다. 1997년 노벨 물리학상을 받은 이 기술은 물리학 및 광학 분야 등에 널리 이용된다. 그러나 이 광학 집게 기술은 물체의 모양이 복잡해지는 경우에는 물체를 안정적으로 포획하기 어렵다. 제어할 수 있는 물체의 방향이 제한적이기 때문에 생명 세포처럼 복잡한 3차원 형상을 가진 미세 물체를 광 제어하는 데는 한계가 있었다.
박용근 KAIST 물리학과 교수 연구팀이 세포와 같이 복잡한 3차원 물체를 빛을 통해 자유자재로 제어할 수 있는 홀로그래피 기술을 개발했다.
이 기술은 우선 3차원 홀로그래픽 현미경을 이용해 물체의 3차원 정보를 실시간 측정한 뒤 그 정보를 바탕으로 물체를 효과적으로 제어할 수 있는 광학 패턴을 정밀히 계산해 입사하는 방식이다.
빛과 물체의 모양이 같아질 때 물체가 갖는 에너지가 최소화돼 복잡한 형상의 물체더라도 안정적으로 포획할 수 있음을 확인했다. 연구팀은 물체가 다양한 위치, 방향, 모양을 갖게 제어해 물체의 3차원 운동을 자유 자재로 제어하고 원하는 모양으로 만들 수 있었다. 연구팀은 이 기술을 통해 적혈구 세포를 안정적으로 집어 원하는 각도로의 회전, 기역자 모양으로 변형, 두 개의 적혈구를 조립해 새로운 구조물 제작 등을 구현하는 데 성공했다. 또한 복잡한 구조인 대장암 세포를 안정적으로 포획하고 원하는 각도로 회전시킬 수 있었다.
논문의 1저자인 김규현 박사는 “생물 물리학 연구, 부유 물질 및 나노 물체 조립 등의 다양한 분야에 응용 가능할 것”이라고 말했다.
이번 연구 결과는 네이처 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 지난 22일자 온라인 판에 게재됐다. /문병도기자 do@sedaily.com
< 저작권자 ⓒ 서울경제, 무단 전재 및 재배포 금지 >
