브라운 운동

Optical Tweezer

하드 디스크 정리를 하다가 추억돋는 동영상이 발견됐다. 이 동영상은 내가 광학현미경을 통해 직접 촬영한 브라운 운동의 동영상이다. 중고등학교 과학시간에 꽃가루 입자의 불규칙한 운동이라고 배웠던 브라운 운동을 직접 본적이 없는 분들이 대부분일 것이다. 이제 오늘 그 원을 푸신다고 보면 된다. ㅎ

보통 브라운 운동은 이와같은 물리적인 현상을 의미하지만 확률론에 기반한 수학적 정의를 의미하기도 한다. 지금은 회사의 팀원들과 수학모델에 대해서 토론을 할 때 브라운 운동이라는 수학적 정의와 관련 theorem들을 대화의 언어로서 사용하고 있지만 실험물리학을 공부하던 시절에는 브라운 운동이라는 물리적인 현상을 관찰하거나 브라운 운동을 보여주는 실제 입자를 화학적인 합성을 통해 만드는데 많은 시간을 보냈었다.

동영상 초반에 두개의 입자들이 브라운 운동을 잠시 보이다가 trap이 되는게 보인다. 그 후 오른쪽의 입자가 왼쪽 입자에게 끌려가듯 이동을 한다. 이건 optical tweezer라고 하는 광학장비를 이용해서 내가 일부러 두개의 입자를 물속에서 고정시켜서 브라운 운동을 못하게 한 후 오른쪽 입자를 내가 원하는 대로 움직인거다. 이 Optical tweezer도 내가 직접 제작을 했었다.

Optical tweezer는 레이저 빔을 렌즈로 focusing 해서 만든다. 나중에 optical tweezer로 붙잡았던 두개의 입자를 놓아주면(레이저를 꺼버리면) 다시 입자들이 브라운 운동을 보이기 시작한다. 입자의 재료는 Polystyrene라는 플라스틱이다. 즉 플라스틱 입자를 레이저빔을 통해서 핀셋으로 잡을 수 있다고 해서 optical tweezer라고 부른다.

검색해보니 이제는 optical tweezer를 제작하는 toolkit도 판매할 정도로 쉽게 제작이 가능한가 보다. 하지만 내가 저 장비를 제작할때만 해도 콜로이드 연구를 하는 과학자들에게 optical tweezer는 일종의 buzzword 같은거였긴 했지만 직접 제작을 해보는 기회를 갖기는 쉽지 않았다.

저 입자의 크기는 1 마이크로미터 정도다. 우리 머리카락의 두께가 300 마이크로미터(0.3mm) 정도 된다. 저 입자들은 눈으로는 보이지 않는 스케일의 크기다. 하지만 1마이크로미터도 단분자들의 크기(3나노미터정도?)에 비하면 몇백배 큰 스케일이다.