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호랑이나 얼룩말의 줄무늬같은 다양한 패턴은 세포 속 생물학적 요소가 수학적 규칙에 따라 상호작용하면서 만들어집니다. 영국 수학자 앨런 튜링은 1952년에 이 과정을 화학물질의 ‘반응-확산 모형’에 따른 튜링 패턴으로 설명했습니다. 튜링 패턴은 ㎛(마이크로미터·1㎛는 100만 분의 1m) 단위의 작은 세계까지 존재하는 것으로 알려져 있었습니다. 

후세야 유키 일본 전기통신대학교 교수팀은 개별 원자의 위치를 결정하는 ㎚(나노미터·1㎚는 10억 분의 1m) 규모에서도 튜링 패턴이 발견되는 것을 확인해 7월 8일 국제학술지 ‘네이처 물리학’에 발표했습니다.

연구팀은 원자번호 83번 원소 비스무트(Bi)층을 기판 위에 생성해 물리적 현상을 관찰하는 실험을 진행했고, 이때 Y자형으로 약 1.7㎚의 줄무늬 패턴이 나타나는 것을 발견했습니다. 그리고 무기 고체인 Bi층의 줄무늬가 열대어에서 관찰되는 튜링 패턴의 줄무늬와 유사하다는 점을 바탕으로 나노 크기에서도 튜링 패턴이 나타나는지 분석했습니다.

그 결과 연구팀은 튜링 패턴을 생성하는 반응-확산 모형과 비슷한 방식으로 응집에 관여하는 물리적 힘을 설명할 수 있는 수학 모형을 개발했죠. 이를 통해 Bi 원소가 이중, 삼중으로 결합하는 각도 등을 계산했고 Bi층의 줄무늬가 튜링 패턴과 일치하는 것을 확인했습니다. 

이를 바탕으로 반도체나 태양전지에 적용되는 박막에 Bi층을 활용할 수 있다는 전망이 나왔습니다. 후세야 교수는 “나노 규모인 Bi층에서 일부 결함을 튜링 패턴에 맞춰 스스로 수리하는 것을 발견했다”며 “이를 나노 전자공학에서 스스로 재생되는 박막을 만드는데 적용할 수 있을 것”이라고 말했습니다.