텍사스 대학(University of Texas at Austin)의 연구진은 다재다예한 콜로이드 조립 기술을 개발하는데 성공했다. 이 방법은 다양한 크기와 형상을 가진 콜로이드 초구조를 쉽게 만들 수 있게 한다.

콜로이드 나노결정은 촉매 작용, 포토닉스, 감지 등과 같은 분야의 빌딩 블록으로서 이상적인 역할을 한다. 그래서 현재 많은 연구가 진행 중이다. 그러나 입자를 특별히 기능화하지 않으면 조립하기가 어렵다. 이번 기술은 기본의 방법보다 더 쉽게 콜로이드 나노결정을 조립할 수 있게 한다.

이 방법을 간단하게 살펴보면, 서로 다른 물질과 크기를 가진 콜로이드 원자들을 용매 속에 분산시킨다. 그 후에 이온 계면 활성제인 세틸트리메틸암모늄 염화물(cetyltrimethylammonium chloride)을 현탁액 속에 첨가한다. 이런 프로세스는 양전하를 띤 입자, 양 이온 미셀, 음이온을 생성한다.

그 후에 열점을 생성하기 위해서 금 박막 위에 레이저를 비춘다. 열점에서 온도가 가장 높고 주위 매질에서 서서히 감소하는 온도 구배를 생성한다. 미셀, 이온, 입자는 열확산을 통해서 이동하고, 고온의 레이저 열점에서 콜로이드 입자를 가두는 역할을 한다.

이러한 물리적 현상을 활용함으로써 현탁액 속에 있는 콜로이드 입자를 선택적으로 포획해서 콜로이드 초구조를 만들 수 있었다.

이 기술은 다양한 재료 및 크기를 가진 콜로이드 원자를 사용해서 복잡한 형상을 가진 콜로이드 구조물을 만들 수 있다. 예를 들어, 직격 2 mm와 0.96 mm를 가진 폴리스티렌 비드(bead)로 1차원 하이브리드 사슬, 2차원 하이브리드 격자를 제조할 수 있다. 구형 입자 이외에도 비-구형 입자를 이용해서 2차원 콜로이드 물질을 조립할 수 있다.

이 새로운 기술은 이전의 콜로이드 조립 기술보다 몇 가지 면에서 뛰어나다. 자체 조립 및 직접 조립과 같은 기술은 높은 처리량을 가지지만, 제한적인 구조만을 생성할 수 있다. 이번 기술은 다양한 형상을 가진 기능성 콜로이드를 만들 수 있기 때문에 원하는 광학적 특성을 가진 기능성 광학 장치를 제조할 수 있게 한다. 특히, 이 연구결과는 광학적인 키랄성을 가진 콜로이드 레이저 장치를 만드는데 유용하게 적용될 수 있을 것이다.

이 연구결과는 저널 Science Advances에 “Opto-thermophoretic assembly of colloidal matter” 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1126/sciadv.1700458).