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고수확 논벼의 메탄 배출 저감 입증

논벼는 중국의 가장 중요한 식량작물인 동시에 온실가스 메탄의 최대 배출원이기도 하다. 중국은 세계 최대 논벼 생산지 및 소비국이다. 세계 기후변화 담판 및 국제 포럼에서 중국의 논벼 생산으로 인한 메탄 배출 문제는 줄곧 논쟁의 중심에 있다. 중국농업과학원 작물과학연구소 작물경작생태 연구팀은 지난 50년간 중국의 논벼 품종 개량과 벼농사 기술 혁신이 식량 증산을 촉진함과 아울러 탄소 배출 저감을 위하여 중대한 기여를 했음을 입증함으로써 중국의 현대 벼농사 다수확이 고탄소 배출을 동반한다는 오해를 바로잡았다. 해당 성과는 "Environmental Research Letters"에 게재되었다. 연구팀은 수년간 대표본 품종 비교, 논밭 위치결정 모니터링, 지역 조사와 역사 데이터 발굴을 통해 지난 50년간 중국 논벼의 품종 갱신, 재배 혁신 및 벼재배 조정 등이 논벼 수확량과 논벼 온실기체 배출에 미치는 영향을 종합 평가하였다. 연구 결과, 논벼 재배가 북쪽으로 갈수록 고수확 품종과 물조절 산소증가 경작 등 혁신을 통해 논벼의 단위면적당 생산량이 130% 증가하는 경우, 논벼 온실기체 배출은 70% 감소하였으며 특히, 메탄 배출 저감이 현저했다. 해당 연구 성과는 중국의 논벼 재배업에 대한 국제적인 오해를 풀었을 뿐만 아니라 고수확 저탄소 논벼 재배를 위한 방향을 제시했으며 세계 작물 생산의 기후변화 대응을 위한 이론적 및 기술적 참조를 제공했다.

최초로 인공지능으로 다중 양자 상관관계의 동시 분류 구현

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중국과학기술대학교 궈광찬(郭光灿) 연구팀의 리촨펑(李传锋)/쉬진스(许金时)는 머신러닝 기술을 양자 역학의 기본 문제 연구에 응용하여 최초로 머신러닝 알고리즘에 기반한 다중 비고전적 상관관계의 동시 분류 실험을 구현했다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"에 게재되었다. 아인슈타인, 포돌스키, 로젠 등의 양자 역학의 완전성에 대한 질의를 EPR(Einstein-Podolsky-Rosen)역설이라 부른다. EPR 역설에 관한 심층적 연구에 따라 아인슈타인이 지적한 "원거리에서의 유령과 같은 작용(spooky action at a distance)"이 양자 세계의 비국소성 상관관계에서 비롯됐으며 또한 양자 얽힘, EPR, 벨의 비국소성 등 차원으로 세분화할 수 있음을 파악했다. 다양한 양자 상관관계는 양자 정보 분야의 핵심 자원으로 되어 중요한 역할을 한다. 그러나 임의로 주어진 양자상태에서 비고전적 상관관계를 부각하는 것은 여전히 어려움으로 되고 있다. 첫째, 그 계산이 극히 복잡하고 둘째, 실험에서 데이터 수집 시간이 시스템 입자의 증가에 따라 기하급수적으로 증가한다. 셋째, 동일한 측정 또는 가관측정의 집합을 통해 모든 비고전적 상관관계의 동시 구분을 달성할 수 있는 하나의 통일된 프레임이 존재하는지의 여부가 확실하지 않다. 머신러닝은 일련의 학습 데이터를 통해 예측 결과를 출력할 수 있는 함수 또는 모형을 얻을 수 있다. 연구팀은 머신러닝 기술을 비고전적 상관관계 구분에 응용하여 최초로 다중 양자 상관관계의 동시 분류 실험을 구현했다. 교묘한 실험 설계를 통해 광학 시스템에서 매개변수 조절이 가능한 2비트 양자상태를 구현하고 양자상태의 일부 정보만을 입력하여 신경망, 서포트 벡터 머신 및 결정 트리 등 머신러닝 모델을 이용하여 455개 양자상태의 비고전적 상관관계 속성을 학습하여 성공적으로 다중 비고전적 상관관계 분류기를 구현했다. 실험결과, 머신러닝 알고리즘에 기반한 분류기는 90% 이상의 높은 매칭률로 양자 얽힘, EPR, 벨의 비국소성 등 상이한 양자 상관관계의 속성을 동시 식별했다. 기존의 양자상태 크로마토그래피 분석법보다 자원 소모나 시간의 복잡성이 훨씬 작았다. 해당 연구 성과는 인공 지능과 양자 정보 기술의 심층 교차를 추진하고 머신러닝은 효과적인 분석 도구가 되어 더 많은 양자 과학 문제를 해결할 전망이다.

중국과기대, 잡음적응 양자정밀측정 실험적 구현

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중국과학기술대학 궈광찬(郭光燦) 연구팀은 선형광학시스템(linear otpical system)에서 얽힘상태 결맞음이 수평방향 잡음에 대한 적응성을 실험적으로 검증했다. 또한 수평방향 잡음속에서도 얽힘상태 탐침의 양자측정 정밀도가 표준양자한계(Standard Quantum Limit)를 초과함을 검증했다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"에 게재되었다. 양자정보기술은 양자상태 제어를 통해 정보의 안전 전송·저장 및 고효율적 획득·연산 등을 구현한다. 하지만 양자시스템은 불가피적으로 환경과 상호작용해 잡음이 유입되며 이로 인해 양자상태는 매우 취약해진다. 따라서 잡음 방지는 현재 확장가능 양자정보기술의 핵심적 과제이다. 능동적 피드백 및 양자오류수정(Quantum Error Correction)은 매우 유망한 방안이지만 자원소비가 너무 많아 현실화가 어렵다. 수동잡음제어(Passive Noise Control)는 고효율적이며 편리한 경로로서 양자상태가 특정 잡음에 대한 적응성을 교묘하게 이용해 잡음 방지를 구현할 수 있다. 연구팀은 고효율적 제어 가능 선형광학시스템을 도입해 얽힘상태 양자 결맞음 및 정밀 측정이 수평방향 잡음에 대한 적응성을 연구했다. 먼저 수평방향 잡음 조건에서 4광자 GHZ 얽힘상태의 결맞음 동결현상을 검증함과 아울러 잡음속에서 GHZ 얽힘상태 변화시 양자 Fisher 정보량도 변화하지 않음을 관측했다. 이는 해당 현상을 모수추정(parameter estimation)에 응용시 잡음이 증가함에 따라 측정 정밀도가 떨어지지 않음을 의미한다. 그 다음 잡음과 신호를 동시에 탐침에 작용시킨 결과, 잡음강도와 신호가 일치하더라도 실험에서 제조한 다광자 GHZ 얽힘상태 탐침은 광자수가 6에 이르러도 표준양자한계를 초과할 수 있어 잡음적응 양자정밀측정 방안의 우월성을 보여주었다. 해당 성과는 수동잡음제어의 실행가능성을 보여주어 잡음방지 양자정밀측정 연구에서 중요한 한 발짝을 내디뎠으며 또한 보다 고효율적인 잡음방지 방안 설계에 도움이 된다.

"톈허 2호"로 세계선도 수준의 양자패권 기준 평가 연산

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세계 최초로 양자패권 기준 연구를 시작한 국방과기대학교 컴퓨터대학 우쥔제(吳俊傑) 연구팀은 정보공학대학 등 국내외 과학연구기관과 공동으로 양자컴퓨팅 시뮬레이션의 새 알고리즘을 제안했다. 해당 알고리즘을 "톈허(天河) 2호" 슈터컴퓨터에서 테스트한 결과 그 성능은 세계선도 수준에 도달했다. 앞서 "Nature"에 게재된 구글의 양자패권 논문도 해당 결과의 예비인쇄본 논문을 인용했다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"에 온라인으로 게재되었다. 양자컴퓨팅장치의 특정 테스트 케이스에서의 모든 고전컴퓨터 연산능력 초월을 대표하는 양자패권 달성은 양자컴퓨팅의 발전을 상징하는 중요한 이정표이다. 양자패권 기준을 평가하기 위해서는 고효율적으로 고전컴퓨터에서 작동하는 양자컴퓨팅 시뮬레이터가 필요하다. 나아가 이러한 시뮬레이터는 후양자패권 시대 양자컴퓨팅 과학연구를 촉진시키는 중요한 도구로 된다. 양자컴퓨팅 시뮬레이션의 실제적 어려움은 큐비트 또는 양자게이트(quantum gate) 수효에 완전히 의존하는 것이 아니라 연산과정에서의 양자상태 복잡도—양자얽힘도(quantum entanglement degree)에 의해 결정된다. 해당 연구는 양자얽힘도 의존적 시뮬레이션 알고리즘을 제안함과 아울러 "톈허 2호" 슈퍼컴퓨터에서 양자패권 테스트 케이스—랜덤 양자회로(Quantum Circuit) 샘플링 문제에 대한 시뮬레이션을 완성했다. 구체적으로 49, 64, 81, 100 등 수적으로 서로 다른 큐비트가 다양한 깊이 양자회로에서의 문제 사례를 실제로 테스트하였는데 연산성능은 세계선도 수준에 도달했다. 양자패권 달성은 양자컴퓨팅 연구의 종점이 아니라 양자컴퓨팅 발전의 시작점이다. 향후 양자컴퓨팅 물리시스템의 성능을 지속적으로 향상시키는 외, 잡음 존재계에서의 양자알고리즘 및 양자오류수정(Quantum Error Correction) 등이 양자컴퓨팅의 다음 단계 중점연구 과제로 될 전망이다.

최초로 측정 설비 무관성 고차원 양자 조향 달성

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중국과기대 궈광찬(郭光燦) 연구팀의 리촨펑(李傳鋒)/류비헝(柳必恒) 등은 호주 이론물리학자와 공동으로 최초로 측정 설비 무관성 고차원 양자 조향(Quantum steering)을 실험적으로 관측함과 아울러 이를 이용해 암호 양자난수를 생성했다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"에 게재됐다. 양자 조향은 양자얽힘과 벨 국소성 사이의 양자 비국소성 특성으로서 얽힘 입자쌍 중 1개 입자에 작용하는 국소적 측정이 다른 1개 입자 상태에 비국소적으로 영향을 미치는 능력을 묘사한다. 양자 조향은 주로 양자암호키 분배, 양자채널 감별, 난수 생성 등 양자정보 임무에 이용된다. 실험설비 성능의 제한성 또는 "적대자"에 의한 제어 가능성으로 인하여 양자 조향 실험에 결함을 초래한다. 예를 들어 얽힘 광자쌍의 양자 조향 관측은 단일광자 탐지기 효율의 제한성으로 탐지하지 못하는 광자는 원칙적으로 잠재적 "적대자"에 의하여 이용되는데 이로 인하여 양자 조향 실험 결과의 비신뢰성이 유발된다. 해당 문제를 해결하기 위해 이론물리학자들은 "양자 중재(Quantum refereed)" 기반 양자 조향 검증 방법을 설계함과 아울러 제3자의 중재 도입을 통해 양자 조향 실험 검증의 측정 설비와의 무관성을 달성했다. 이에 영감을 받고 리촨펑, 류비헝 등은 측정 설비 무관성 고차원 양자 조향 목격 연산자를 교묘하게 제조함과 아울러 최초로 측정 설비 무관성 고차원 양자 조향을 실험적으로 달성했다. 연구팀은 먼저 파라미터 조건에서의 전환 과정을 이용해 편광 및 경로 자유도에서 일련의 고충실도 3차원 얽힘상태를 제조했다. 다음으로 중재자가 얽힘 쌍방에 대하여 일련의 테스트 요구를 발송함과 아울러 쌍방 데이터를 수집하여 고차원 양자 조향 부등식을 검증했다. 테스트 결과는 최대로 1.983(0.002)에 달하여 3차원 상황의 고전적 이론 한계 1.57을 훨씬 초과함으로써 해당 얽힘상태가 양자 조향 특성을 보유하고 있음을 입증했다. 연구팀은 심층적인 실험을 통해 관측한 데이터를 난수 생성에 응용한 결과, 1개의 얽힘 광자쌍으로 1.106(0.023)비트 암호 양자난수를 획득할 수 있는데 이는 2차원 얽힘상태를 이용해 도달할 수 있는 이론 한계(1비트당 얽힘 과자쌍)를 초과함으로써 고차원 얽힘의 양자정보 과정에서의 장점을 충분히 시연했다. 동 연구는 고차원 시스템 기반 측정 설비 무관성 양자 정보 임무의 첫 실험적 시도로서 양자물리 기본문제 및 측정 설비 무관성 양자정보 과정 연구에 중요한 추진 역할을 제공할 전망이다.

2022년 전후에 3명 상주 가능한 우주정거장 구축

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광저우에서 열린 제4회 중국인간공학정상포럼에서 중국유인우주공학 수석설계사이며 중국공정원 원사인 저우젠핑(周建平)은 중국은 2022년 전후에 초기규모가 100t이고 3명을 상주시킬 수 있는 우주정거장을 구축해 운영할 계획이라고 밝혔다. 중국의 우주정거장 구축 주요 목표는 근지구공간(near-Earth space)에서의 장기적 유인비행(manned flight) 기술을 독자적으로 확보하고 근지구공간에서의 장기적 유인 관련 과학실험 수행 및 우주자원 종합 개발·이용 능력을 보유한 국가로 거듭나는 것이다. 중국이 구축하는 우주정거장은 나라 형편에 부합되어야 하고 국가발전전략목표를 구현해야 하는 등 원칙에 따라 현대 선진기술을 도입하며 응용 효과를 중시하고 운영의 경제성을 따지며 규모가 적당해야 한다. 현재 기본적으로 확정된 우주정거장 설계규모는 100t이고 3명을 상주시키며 확장공간을 예비 확보한다. 향후 중국 우주과학연구의 메인플랫폼이 될 우주정거장은 다음과 같은 3가지 과학기술 목표를 지향한다. 첫째, 대형 우주시설 구축 및 운영기술을 확보한다. 국제우주정거장 수준에 도달하거나 또는 근접해야 하며 나아가 현대 기술성과를 도입하고 후발주자로서의 이점을 발휘해 국제우주정거장 수준을 초과한다. 둘째, 우주인의 일상적 궤도비행을 지원하는 생활/건강보장 기술을 확보한다. 우주정거장 구축 및 응용에서 인간이 핵심요소이다. 우주인이 건강하게 생활해야만 높은 업무 효율성을 담보할 수 있다. 셋째, 국가우주실험실을 구축한다. 과학자를 위해 높은 수준의 과학연구플랫폼을 제공함으로써 일부 과학영역에서의 중대성과 획득을 기대해본다.

첫 화성탐사임무 착륙기 공중정지·장애물회피 시험 완료

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2019년 11월 14일, 중국 첫 화성탐사임무 착륙기 공중정지·장애물회피 시험이 허베이성 화이라이현(懷來縣) 외계천체착륙 종합시험장에서 원만히 완료되었다. 이번 시험은 중국 화성탐사임무와 관련한 첫 공개보도이다. 이번 시험에서 화성환경에서의 착륙기 공중 정지, 장애물 회피, 저속 하강 등 과정을 시뮬레이션하였고 또한 설계의 정확성을 종합적으로 검증하였다. 화성탐사는 현재 세계 선도적인 과기혁신 활동이다. 안전착륙은 화성탐사임무에서 가장 어려운 과제이다. 중국은 2020년 적정시기에 첫 화성탐사임무를 수행할 예정인바 일차적 발사임무를 통해 화성 선회, 착륙, 순찰을 달성해 화성 전체에 대한 종합적 탐사 및 화성 표면 중점지역 정밀 순찰탐사를 목표로 한다. 화성 중력환경(화성 중력가속도는 지구의 약 1/3)을 모사해 진행된 이번 시험은 아시아 최대 외계천체착륙 종합시험장에서 진행되었다. 이번 시험은 중국이 우주 분야에서 추진한 실용성 국제교류·협력의 주요 조치이다. 국가항천국은 일부 주중대사관 및 국제기구 인사를 시험에 요청해 관련 시험시설을 참관시켰다. 중국은 시종일관 우주분야 국제협력에 힘써 현재 45개 국가 및 국제기구와 140여 건의 우주협력계약을 체결하였다. 최근에 열린 지구관측그룹(GEO)대회에서 국가항천국은 가오펀(高分) 1,6호 위성의 16m 해상도 광학데이터 개방·공유를 선포하는 등 일련의 조치는 더 많은 국가 특히, 개발도상국에 우주기술성과를 공유해 사회경제 발전을 촉진하는데 도움을 준다.

"콰이저우"/"창정 6호" 운반로켓 각자 위성 발사 성공

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2019년 11월 13일 11시 40분, 중국은 주취안위성발사센터에서 콰이저우 1호 갑(快舟一號甲) 야오 11(遙十一) 운반로켓으로 "지린(吉林) 1호" 가오펀(高分) 02A 위성을 성공적으로 발사해 예정 궤도에 순조롭게 진입시켰다. 콰이저우 1호 갑 고체운반로켓은 중국항천과공그룹 제4연구소 산하 항천과공로켓기술유한회사가 개발했다. 국제 공용 인터페이스를 채택한 해당 로켓은 주로 저궤도 소형위성 발사에 서비스를 제공하며 200kg/700km 태양동기 원궤도(Circular Orbit) 수송능력을 갖추었을 뿐만 아니라 궤도진입 정밀도가 높고 준비주기가 짧으며 발사원가가 낮은 등 장점을 보유한다. 콰이저우 1호 갑 고체운반로켓은 2017년 1월, 2018년 9월, 2019년 8월에 3차례 상업발사를 완수하였고 이번 발사는 2019년도 2번째 발사임무이다. "지린 1호" 가오펀 02A 위성은 창광(長光)위성기술유한회사가 자체적으로 개발한 신형 광학원격탐사위성이다. 해당 위성은 "지린 1호" 위성의 성숙된 싱글머신 및 기술기반을 계승하였으며 고해상도, 광폭, 고속 데이터전송 등 장점을 보유한다. 궤도진입 후 기존의 13개 "지린 1호" 위성과 네트워크를 형성해 농업, 임업, 자원, 환경 등 분야 사용자를 위해 보다 풍부한 원격탐사데이터 및 제품서비스를 제공할 예정이다. 이번 임무는 "지린 1호" 위성 프로젝트의 7번째 발사이다. 같은 날 14시 35분, 중국은 타이위안위성발사센터에서 창정 6호 운반로켓 1개로 위성 5개 발사방식으로 닝샤(寧夏) 1호[일명 중쯔호(鐘子號)] 위성을 성공적으로 발사하였다. 이번에 발사한 5개의 닝샤 1호 위성은 닝샤진구이(金矽)정보기술유한회사가 자체적으로 투자해 추진 중인 상업우주프로젝트로서 주로 원격탐사 등 영역에 응용된다. 닝샤 1호 위성은 중국항천과기그룹 둥팡훙(東方紅)위성유한회사가 개발했고 창정 6호 운반로켓은 상하이우주기술연구원이 개발했다. 이번 임무는 창정계열 운반로켓의 318번째 우주비행이다.

중국 원격감지위성 지상국 성공적으로 가오펀 7호 위성 데이터 수신

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중국과학원 쿵톈(空天)정보혁신연구원의 원격감지위성 지상국은 2019년 11월 4일부터 6일 사이에 가오펀(高分)7호 위성의 첫 트랙 데이터를 수신한데 이어 선후로 6 트랙의 가오펀 7호 위성 데이터를 수신했다. 총 616.6GB의 데이터를 수신하여 중국 최고 데이터 비트레이트의 민간 지구관측 위성 데이터 수신을 달성했다. 가오펀 7호 위성은 최초로 가변코드변조(VCM) 기술을 채택하여 지상국 수신시간 내에 더 많은 관측 데이터를 다운링크 전송함으로써 위성 데이터의 다운링크 전송 효율을 효과적으로 향상시켰다. 가오펀 7호는 중국에서 위성-지상 데이터 전송 효율이 가장 높은 민간 지구관측 위성이다. 따라서, 중국 원격감지위성 지상국은 성공적으로 새로운 지상 데이터 수신 설비를 개발하여 최초로 다중 변조 모드, 다중 비트레이트 위성 데이터의 자기적응, 전자동 신뢰성 수신을 달성했다. 가오펀 7호 위성은 이중 채널 데이터 전송을 채택하고 각 채널의 최고 데이터 비트레이터는 1.2Gbps에 달한다. 가오펀 7호 위성 데이터의 성공적인 수신은 중국의 원격감지위성 지상국의 위성 데이터 수신 기술이 새로운 수준으로 업그레이드되었음을 의미한다. 가오펀 7호 위성은 중국의 고해상도 지구관측 중대 프로젝트의 7번째 위성이며 또한, 중국 최초의 서브미터급 고해상도 광학 전송형 스테레오 매핑 위성으로 고해상도 스테레오 매핑 이미지 데이터 획득, 고해상도 스테레오 매핑, 도시농촌 건설 고정밀도 위성 원격감지와 원격감지 통계조사 등 분야에 이용될 예정이다. 2019년 11월 3일에 성공적으로 발사된 가오펀 7호 위성은 중국 원격감지위성 지상국에서 위성 데이터 수신을 담당한다.

고수확 논벼의 메탄 배출 저감 입증

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논벼는 중국의 가장 중요한 식량작물인 동시에 온실가스 메탄의 최대 배출원이기도 하다. 중국은 세계 최대 논벼 생산지 및 소비국이다. 세계 기후변화 담판 및 국제 포럼에서 중국의 논벼 생산으로 인한 메탄 배출 문제는 줄곧 논쟁의 중심에 있다. 중국농업과학원 작물과학연구소 작물경작생태 연구팀은 지난 50년간 중국의 논벼 품종 개량과 벼농사 기술 혁신이 식량 증산을 촉진함과 아울러 탄소 배출 저감을 위하여 중대한 기여를 했음을 입증함으로써 중국의 현대 벼농사 다수확이 고탄소 배출을 동반한다는 오해를 바로잡았다. 해당 성과는 "Environmental Research Letters"에 게재되었다. 연구팀은 수년간 대표본 품종 비교, 논밭 위치결정 모니터링, 지역 조사와 역사 데이터 발굴을 통해 지난 50년간 중국 논벼의 품종 갱신, 재배 혁신 및 벼재배 조정 등이 논벼 수확량과 논벼 온실기체 배출에 미치는 영향을 종합 평가하였다. 연구 결과, 논벼 재배가 북쪽으로 갈수록 고수확 품종과 물조절 산소증가 경작 등 혁신을 통해 논벼의 단위면적당 생산량이 130% 증가하는 경우, 논벼 온실기체 배출은 70% 감소하였으며 특히, 메탄 배출 저감이 현저했다. 해당 연구 성과는 중국의 논벼 재배업에 대한 국제적인 오해를 풀었을 뿐만 아니라 고수확 저탄소 논벼 재배를 위한 방향을 제시했으며 세계 작물 생산의 기후변화 대응을 위한 이론적 및 기술적 참조를 제공했다.

약 3억 년 전 "식물폼페이"에서 좌선성 전요식물 화석 발견

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중국과학원 난징(南京)지질고생물연구소 연구팀은 네이멍구(內蒙古)자치구의 약 3억 년 전 "식물폼페이" 소택지 삼림에서 안정적 좌선성 전요식물 화석을 발견했다. 이는 지질 역사상 전요식물 화석의 2번째 사례이다. 해당 발견은 식물의 전요(Twining) 습성 발생을 3억 년 전의 고생대 말기로 역추적했다. 해당 성과는 국제 저명 학술지 "Current Biology"에 게재됐다. 현존 전요식물의 90% 이상은 우선성이다. "카이랄성"은 1개 물체가 그 물체의 거울상과 중첩되지 않는 현상을 가리킨다. "카이랄성"은 우주에 광범위하게 존재한다. 예를 들면 큰 은하계로부터 작은 중성미자의 운동 궤적에 이르기까지 모두 비대칭 회전이 존재하며 또한 대부분 단일 카이랄성(좌선성 또는 우선성)이다. 현존 전요식물은 주로 피자식물에 존재하며 또한 나자식물의 그네툼(Gnetum) 및 양치식물의 해금사속(Lygodium Sw)에도 전요식물이 존재한다. 네이멍구자치구 우하이시(烏海市) 우다(烏達)탄전에는 화산 분출로 생성된 화산재에 의해 매립된 약 3억 년 전의 소택지 삼림이 있다. 그 보존 방식은 이탈리아 폼페이와 매우 유사하기에 중국의 "식물폼페이"로 불린다. 연구팀은 소택지 삼림 군락에서 새로운 전요식물 화석을 발견했다. 표본에 대한 포매 및 절편을 통해 연구팀은 전요식물에서 양치식물의 엽축에 속하는 C형 유관속을 발견했다. 해당 지역의 다른 한 위치에서 채집한 전요식물 잎사귀 화석을 분석한 결과, 해당 전요식물은 Anachoropteris의 양치식물로 추정됐다. 흥미로운 점은 양치식물 해금사속을 포함한 현존 전요식물은 주로 우선성이다. 하지만 지질 역사상의 2종 전요식물 화석은 모두 좌선성이다. 연구팀은 전요식물 및 숙주식물은 해당 생존 시기에 동시에 한그루 나무로 칭칭 감겨 위로 올라갔다고 추정했다. 이는 초기 페름기 소택지 삼림 군락 생태가 매우 복잡했음을 의미한다.

실시간 정확한 인체 건강 모니터링 가능한 생체모방 섬유 센서 개발

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푸단대학교 연구팀은 주사 가능한 섬유상 바이오센서를 개발했다. 해당 센서는 이식 후 모발처럼 피부 표면에 부착되고 가늘고 부드러우며 또한 체내 다양한 화학 물질의 장기적이고 실시간적인 모니터링이 가능하다. 의료 기술이 발달함에 따라 개인 생리 정보의 실시간 모니터링 및 이에 따른 개별화 의료가 관심을 받고 있다. 전기화학적 바이오센서는 화학 신호를 전기 신호로 전환시킬 수 있는 장치로 특정 화학물질을 모니터링하는데 사용할 수 있고 웨어러블 의료 분야에서 광범위한 응용 전망이 있다. 기존의 삽입 가능한 센서는 재료 자체의 모듈러스가 크고 강성 소자와 유연조직 사이의 반복된 기계적 손상이 존재한다. 또한 2차원 평면 구조에 기반하여 설계한 삽입식 소자는 최소 침습술 이식이 어려워 조직과의 안정적인 인터페이스 형성이 어렵고 장기적이고 정확한 모니터링이 어려워 신호 수집과 생체 안전에 영향을 미친다. 연구팀은 생체모방 근육 구조의 새 연구 방법을 개척하여 다단 나선 구조의 섬유상 전기화학 센서를 설계했다. 역학적 시뮬레이션과 나노압입 실험 결과, 탄소 나노튜브 섬유는 기존의 삽입 재료(금실, 폴리디메틸실록산 등)보다 더 낮은 만곡 내응력을 구비하고 휨강성이 기타 전통 삽입 재료보다 유연 조직에 더 접근하였다. 또한 섬유 1차원 구조에 적합한 주사 방법을 이용하여 섬유 센서를 목표구역에 정확하게 삽입하였는데 체외에서의 섬유 형태는 마치 동물 모발이 피부 표면에 부착된 것과 유사했다. 세포실험과 조직절편 결과, 섬유상센서 주사 후, 동물의 염증반응과 흉터를 유발하지 않았고 주변 조직과의 결합이 양호하였으며 섬유 센서는 우수한 생체 적합성과 생체 통합성을 보유했다. 해당 연구는 생물전자학 분야에서 새 방향을 제시했다. 섬유상 바이오센서는 집적회로, 블루투스 및 관련 소프트웨어를 통하여 원격으로 생리학적 데이터를 실시간 수집할 수 있고 소자는 혈관에서 안정적으로 4주간 작동할 수 있다.

세계 최초 척추측만증 대규모 인공지능 검사 시스템 개발

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상하이교통대학교, 중산대학교 중산안과센터 및 시안전자과학기술대학교 공동연구팀은 세계 최소로 척추측만증 관련 대규모 인공지능 검사 기술을 개발하였다. 해당 성과는 "Development and validation of deep learning algorithms for scoliosis screening using backimages"라는 제목으로 "Communications Biology"에 게재되었다. 연구팀은 환자의 X-ray와 초음파 영상을 척추측만 골드표준 라벨로 하고 라벨을 부착한 외관 이미지에 대한 모델 훈련을 통해 최초로 등 외관 특징과 척추측만 심각도의 관계를 명확히 하고 등 노출 외관 사진에 기반한 척추측만 인공지능 검사 시스템을 구축했다. 아울러, 혁신적으로 객체 검출 네트워크를 이용하여 환자의 노출 등부위를 정위하고 다수의 합성곰 신경망을 이용하여 상이한 검사 작업의 요구를 충족시켰다. 해당 모델은 청소년의 척추측만 검사 및 치료 필요성 여부를 확정하고 척추측만 정도를 명확히 하는 등 3가지 분야에서 탁월한 성능을 구비했다. 해당 지능 시스템의 검사 정확도는 인간 전문가의 평균 수준에 도달했고 속도는 인공보다 훨씬 뛰어나며 대규모 척추측만 검사에 응용될 전망으로 중요한 의학적, 경제적 및 사회적 가치가 있다.

티탄산나트륨과 그래핀을 이용하여 고에너지, 고출력 마이크로 커패시터 개발

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중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소 우중솨이(吳忠帥) 연구팀과 바오신허(包信和) 연구팀은 공동으로 성게형 티탄산나트륨과 다공성 활성화 그래핀을 결합하여 고에너지밀도, 고내열성을 보유한 유연성 나트륨이온 마이크로 슈퍼커패시터를 개발했다. 마이크로 센서, 마이크로 로봇, 자가동력 마이크로 시스템 등은 마이크로 전기화학 에너지저장 소자를 떠날 수 없다. 해당 소자는 전극 크기가 μm 범위인 소형 전원으로서 유연성, 마이크로화, 지능화 집적 전자 제품의 핵심 전원으로 인정되고 있으며 현재 주로 마이크로 배터리, 마이크로 슈퍼커패시터 및 하이브리드 슈퍼커패시터로 분류한다. 마이크로 배터리는 고에너지밀도를 보유하고 있지만 출력밀도가 낮고 마이크로 슈퍼커패시터는 고출력밀도를 보유하고 있지만 에너지밀도가 낮다. 리튬이온 마이크로 슈퍼커패시터를 대표로 하는 하이브리드 슈퍼커패시터는 마이크로 배터리의 고에너지밀도 장점과 마이크로 슈퍼커패시터의 고출력밀도 장점을 동시에 보유한 신형 마이크로 전기화학 에너지저장 소자이다. 리튬이온 마이크로 슈퍼커패시터는 상기 장점을 보유하고 있지만 규모화 응용 면에서 금속 리튬의 자원 제한 및 비교적 높은 개발원가(리튬의 지각 내 함량은 0.006%) 제한을 받고 있다. 나트륨 자원은 지구자원의 약 2.74%에 달하기에 개발원가가 저렴하며 전기화학적 성질도 리튬과 유사하다. 따라서 나트륨이온 마이크로 슈퍼커패시터 개발은 중요한 응용 전망을 보유하고 있다. 연구팀은 성게형 티탄산나트륨을 배터리형 음극으로 하고 다공성 활성화 그래핀을 커패시터형 양극으로 했으며 고압 이온액체 겔 전해액을 결합하여 유연성 나트륨이온 마이크로 슈퍼배터리를 성공적으로 제조했다. 또한 배터리형 음극과 커패시터형 양극의 효과적인 결합을 통해 나트륨이온 마이크로 슈퍼커패시터가 3.5V의 고전압 조건에서 안정적으로 작동하게 했고 에너지밀도를 37.1MWh/cm3에 도달시킴과 아울러 초저 자가 방전 속도를 달성했다. 나트륨이온 마이크로 슈퍼커패시터는 다방향 신속 이온 확산 통로를 보유하고 있기에 전하이동 저항을 대폭 감소시킴과 아울러 출력밀도를 뚜렷하게 향상시킬 수 있다. 동시에 소자의 평면기하학적 구조 및 이온 겔 전해액의 비가연성으로 해당 마이크로 소자는 양호한 기계적 유연성 및 80℃ 고온 안정성을 보유하고 있다.

중국 첫 10MW급 해상 풍력 터빈 인증 통과

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중국선박중공그룹(CSIC) 하이좡(海装)유한회사가 자체 개발한 H210-10MW (메가와트) 해상 풍력 터빈이 설계 인증을 통과하여 중국의 초대형 해상 풍력 터빈의 공백을 메웠다. 기존에 건설된 중국의 해상 풍력발전소는 대부분이 근해에 위치하여 제한 요소가 많다. 심해 풍력 발전은 수심이 50미터 이상인 해역에 위치하여 풍속이 더 크고 풍력이 더 안정적이며 제한 요소가 적다. 또한, 대형 MW급 터빈은 발전량을 대폭 증가시키고 운영비용을 절감할 수 있어 해상 풍력발전의 방향이다. 10MW 해상 풍력 터빈은 향후 해상 풍력 발전 시장을 포착하고 중국의 풍부하고 광범위한 해상 풍력 에너지 자원을 효율적으로 개발하기 위한 주력 모델이다. 연구팀은 10여 년의 발전을 거쳐 CSIC 시스템 내부에서 풍력 터빈 블레이드, 기어박스, 엔진 및 제어 시스템 등 주요 부품을 포함한 전체 풍력 발전 산업 체인을 구축하고 토탈 솔루션 능력을 보유했으며 5MW 해상 풍력 터빈의 양산을 달성했다. CSIC는 지난 2년간 디자인 개발과 기술 공략에 1억 위안(한화 약 165억)이 넘는 자금을 투자하여 로드쉐딩, 블레이드, 피치시스템, 전동체인, 발전 시스템 등 다방면의 핵심 기술을 파악하여 성공적으로 10MW 해상 풍력 터빈을 개발했다. H210-10MW 해상 풍력 터빈은 중국 첫 속도 증가형 10MW급 해상 풍력 터빈이며 또한 중국 최초의 200미터 이상 직경의 해상 풍력 터빈이다. 고효율성, 고신뢰성, 중속, 중압, 집적식 및 전동식의 발전 시스템은 유닛의 가용성, 제조 가능성 및 유지 보수성을 크게 향상시키고 선진적인 전기 이중구동 가변피치 기술은 가변피치 시스템의 구동 능력과 안전 수준을 향상시켰다. 중국 첫 100m급 초장 유연성 탄소섬유 블레이드를 탑재한 10MW 해상 풍력 터빈은 중국의 다양한 해상 풍력구에 저면적으로 응용될 전망이다. 연간 평균 풍속이 10m/s(표준 공기 밀도)인 동일한 풍력 자원 조건에서, H210-10MW 유닛의 발전량은 H151-5MW 유닛에 비해 98% 증가할 수 있다.

고성능 유연성 유기태양전지 개발

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난카이대학교 화학대학 천융성(陈永胜) 연구팀은 높은 전기전도성과 투과성, 낮은 표면조도를 동시에 구비한 은나노 와이어 유연성 투명전극을 제조하여 유연한 유기태양전지 구축에 사용한 결과 상업 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 유리전극을 사용한 장치와 동일한 성능을 획득했고 광전 변환(photoelectric conversion)효율은 16.5%에 도달했다. 이로써 기존 유연성 유기/고분자 태양전지가 기록한 광전변환효율 최고치를 경신했다. 해당 성과는 "Nature Electronics"에 게재되었다. 유연성 전자장치 특히 유기재료 기반 광전장치는 미래 전자장치의 발전추세로서 밝은 응용전망을 보유한다. 그 중 고성능 유연성 투명전극은 고효율 유연성 유기광전장치의 선결조건이다. 하지만 높은 전기전도성과 투과성, 낮은 표면조도를 동시에 보유하면서도 제조방법이 간단하고 친환경적인 유연성 투명전극 획득은 아직도 어려운 문제로 남아있다. 고성능 유연성 투명전극의 부재로 현재 유연성 유기광전장치 성능은 여전히 강성(rigidity)장치에 비해 많이 뒤떨어진 상황이다. 유연성 투명전극은 일반적으로 건식법(예를 들면 증착) 또는 용액처리[예를 들면, 슬릿 프린팅(Slit printing), 나노임프린트(nanoimprint) 또는 전기방사(electrospinning) 등] 공법으로 제조한다. 용액처리 방법은 건식법에 비해 원가가 저렴하고 대규모 프린팅 제조가 가능한 등 장점이 있어 잠재적 발전성이 크다. 연구팀은 고분자 전해질로 "유사격자" 구조를 보유한 은나노 와이어 유연성 투명전극을 제조해 우수한 성능을 구현했다. 동 유연성 투명전극은 표면조도가 낮고 기계적 성능 및 안정성이 양호하며 제조방법이 간단하고 친환경적이다. 해당 유연성 투명전극의 유기광전장치에서의 실용성을 입증하기 위해 연구팀은 해당 유연성 투명전극 기반 유연성 유기태양전지를 제조했다. 연구 결과, 해당 전극은 다양한 유형의 활성재료 및 단접합(unijunction)/적층 태양광발전장치에 적용 가능했다. 단접합/적층 유연성 유기태양전지의 광전변환효율은 각각 13.1%와 16.5%에 도달했고 기계적 성능도 양호했는바 연속 1,000회 굽힌 후에도 초기효율의 95% 이상을 유지했다. 저원가 고성능 유연성 투명전극은 유기태양전지 외에 유기발광다이오드(OLED), 트랜지스터, 센서 등 분야에서도 광범위한 응용잠재력을 보유한다.

3가지 종류의 신형 유실 제어 복합비료 개발

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중국과학원 허페이(合肥)물질과학연구원 기술생물·농업공학연구소 우웨진(吳躍進) 연구팀은 천연광물 및 복합개질재료를 기반으로 3가지 종류의 신형 유실 제어 복합비료를 개발했다. 해당 복합비료는 토양의 "입단구조" 형성 촉진을 통해 토양공극을 감소시킴으로써 양분의 "완효성 방출"을 달성했다. 뿐만 아니라 비료효과 지속 시간을 연장시켜 후기 추비(Top dressing) 인력원가를 절감시켰다. 재배시험 결과, 1무(약 666.67㎡)당 벼 수확량이 100kg 이상 증가된다. 벼 고수확량을 달성하려면 화학비료를 시비해야 한다. 하지만 화학비료는 빗물에 의한 유실로 비료 낭비뿐만 아니라 환경오염도 초래한다. 또한 양분을 보충하기 위해 벼 재배 후기에 여러 번 추비하는데 이는 비료 및 인력 원가를 증가시킴과 아울러 쌀의 입맛을 감소시킨다. 2019년 6월, 연구팀은 안후이(安徽) 루안(六安)의 80무 논밭에서 동일한 품종 벼 "중허유 1호(中禾優1號)"를 재배하는 과정에서 3가지 종류의 신형 유실 제어 복합비료와 일반 화학비료 시비효과 비교 실험을 가동했다. 4개월 재배한 후, 안후성농업기술보급소, 안후이농업대학, 안후이성농업과학원 등 기관의 전문가로 구성된 전문가팀이 시험논의 성숙된 벼에 대한 수확량 측정 검수를 수행한 결과, 일반 화학비료 시비 및 후기에 여러 번 인공 추비한 논에 비하여 1차적으로 신형 유실 제어 복합비료를 시비한 3개 논의 1무당 수확량은 104~186kg 증가되어 증가폭은 19% 이상에 달했다. 해당 신형 화학비료의 주요 역할은 후기 인력 투입 절감이다. 이는 현재 농촌 노동력이 부족한 상황에서 벼 수확량 증가를 달성하는데 중요한 의미가 있다. 연구팀은 심층적인 연구 및 테스트를 수행하여 해당 신기술의 보급을 추진하고 있다.

최초로 나선형 카이랄성 탄소나노튜브 단편 합성

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중국과기대 두핑우(杜平武) 연구팀은 최초로 나선형 카이랄성 탄소나노튜브 단편을 합성함과 아울러 해당 단편의 원편광 발광(Circularly polarized luminescence, CPL) 성질에 대한 심층 연구를 수행했다. 해당 성과는 "AngewandteChemie"에 게재됐다. 탄소나노튜브 재료는 뛰어난 기계적, 전기학적 및 광학적 성질을 보유하고 있기에 나노과학기술 및 전자학 분야에서 매우 주요한 역할을 한다. 하지만 전통적인 제조 방법은 탄소나노튜브 성장을 제어하기 어렵기에 금속 나노튜브 및 반도체 나노튜브의 무작위 혼합물만 획득할 수 있다. 유기화학적 상향식 합성 방법은 고순도 탄소나노튜브를 제조하는 이상적인 방법이다. 튜브모양 비평면 공액 대환식 화합물은 큰 π 시스템, 확정된 크기 및 형태를 보유하고 있기에 관심사로 떠오르고 있다. 또한 사슬 말단 효과(Chain-terminal effect)가 존재하지 않을 뿐만 아니라 높은 대칭성 및 변형에너지를 보유하고 있기에 π 공액 대환식 화합물은 탁월한 광전기학적 성질을 나타낸다. 따라서 유기 광전기 분야에서 거대한 응용 잠재력을 갖고 있다. 특히 큰 비대칭 인자 및 높은 PL 양자 수율을 보유한 카이랄성 공액 대환식 화합물은 카이랄성 광학 분야에서 응용의 이상적인 선택이다. 하지만 특정된 크기 및 지름을 보유한 전체 π 공액 카이랄성 나노튜브 단편 제조는 어려움으로 되고 있다. 연구팀은 초기단계의 탄소나노튜브 새 구조 합성 및 광물리학적 성질에 대한 연구를 기반으로 안트라센을 다환방향족탄화수소의 구조 유닛으로 교묘하게 이용하여 최초로 나선형 카이랄성 탄소나노튜브 단편을 합성했다. 그 다음 자외선 가시광선, 형광, 핵자기공명, 원이색성 및 CPL 스펙트럼을 이용하고 이론적 계산을 결합해 해당 탄소나노튜브 단편의 광물리학적 성질을 연구했다. 평면 안트라센 단량체에 비하여 해당 카이랄성 π 공액 대환은 흡수 스펙트럼 및 발광 스펙트럼에서 뚜렷한 적색편이를 나타냄과 아울러 매우 강한 원편광 발광을 나타내는바 기존의 가장 좋은 CPL 활성재료에 비하여 성능이 100배 이상 향상됐다. 해당 성과는 새로운 나선형 카이랄성 튜브모양 공액 재료를 합성함과 아울러 높은 CPL 활성 재료 설계/제조 및 해당 재료를 템플릿으로 단일 카이랄성 탄소나노튜브를 제조하는데 새 아이디어를 제공했다.

진주모층 모방 격막 개발로 리튬전지 내충격 성능 향상

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중국과기대 야오훙빈(姚宏斌)/니융(倪勇)/위수훙(俞書宏) 연구팀은 생체공학 원리를 이용하여 진주모층 모방 격막을 제조하여 리튬전지를 효과적으로 보호함과 아울러 안전위험을 감소시켰다. 해당 성과는 "Advanced Materials"에 온라인으로 게재됐다. 다공성 폴리올레핀은 우수한 전기화학적 안정성을 보유하고 있기에 리튬이온전지 격막에 광범위하게 이용된다. 배터리의 양극과 음극 사이 단락을 방지하는 절연층인 폴리올레핀 내부의 다공성 구조는 배터리 충방전 과정에서 리튬이온 통과에 유리하지만 기계적 성능이 차하다. 특히 격막이 외부의 국부적인 충격을 받을 경우 그 내부 공극 구조가 변형되어 균열 및 부분 공극의 폐쇄를 초래하기에 리튬전지의 성능 및 안전성에 영향을 미친다. 현재 세라믹 나노입자 코팅층으로 폴리올레핀 격막의 열안정성 및 전해액에 대한 침윤성을 향상시키고 있지만 나노입자 코팅층은 국부적인 외력 충격 작용에 효과적으로 견디기 어렵기에 충방전 과정에서 배터리 내부에 필연적으로 불균일한 리튬이온 유동이 발생하여 전극의 아래위 부분에 불균일한 리튬 침적을 유발하며 심지어 리튬 덴드라이트(Dendrite) 생성을 초래한다. 상기 문제점을 해결하기 위해 연구팀은 폴리올레핀 격막 표면에 진주층 모방 규치적 구조를 구축했다. 진주모 모방 코팅층은 층간 슬립 작용을 통해 힘을 받는 면적을 확장시킴으로써 격막 내부 공극 구조를 효과적으로 보호하여 배터리 내부의 균일한 리튬이온 유동을 유지한다. 상업용 세라믹 격막을 사용한 소프트 패킹 배터리(Soft-packing battery)에 비하여 진주층 모방 격막을 이용한 소프트 패킹 배터리는 충격을 받을 경우 작은 개로 전압 변화, 양호한 순환 안전성 및 고안전성을 나타낸다. 두 가지 격막으로 조립한 소프트 패킹 배터리에 대한 충격시험을 수행한 결과, 진주모층 모방 격막은 양호한 배터리 보호 작용을 보유하고 있을 뿐만 아니라 많은 안전위험을 효과적으로 감소시킬 수 있다. 동 연구는 진주층 모방 인성(Toughness) 증가 격막을 제조하는 방법을 제안함과 아울러 이론적 시뮬레이션 및 실험 테스트를 통해 해당 격막이 리튬전지의 내충격 성능을 향상시킬 수 있음을 입증함으로써 리튬전지의 안전성 향상에 새 경로를 개척했다.

중국산 복강경 로봇 개발

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중국이 자체 개발한 투마이(图迈)TM 복강경 수술 로봇이 상하이에서 로봇 보조 복강경 근치적 전립선적출술(RALRP)을 완성했다. 이는 중국산 복강경 수술 로봇이 완성한 첫 RALRP수술로서 어려운 비뇨외과에서 복강경 수술 로봇이 달성한 획기적인 성과이다. 근치적 전립선적출술은 초기 전립선암에 대한 근치요법이다. 기존의 복강경 수술과 비교할 경우, 로봇 보조 수술은 실제 입체 수술 시야, 정밀 제어 손목형 기계 등 장점을 보유하고 있기에 수술 시간을 단축하고 수술 상처를 줄이며 신경과 혈관 보호에 유리할 뿐만 아니라 환자 만족도도 높다. 현재, 미국의 85% 이상의 전립선 적출술은 로봇 보조 수술로 완성한다. 로봇 보조 수술은 최근 외과 발전의 방향과 추세이지만 중국의 로봇 보조 수술 시스템은 수입에 의존하기에 가격과 유통채널에 큰 한계가 있다. 투마이TM 복강경 로봇 시스템은 성능이 우수하여 다양한 특수 수술 보조 기능을 구현한다. 투마이TM 복강경 로봇은 기본 기술에서 자체 혁신을 달성하고 산업화 과정에서 일련의 "병목" 문제를 해결했다. 동종 수입 제품에 비해 의사의 조작 경험을 최적화하고 설비 유지보수와 재료소모 비용을 절감할 수 있다. 현재, 임상 시험과 산업화를 안정적으로 추진하고 국가약품감독관리국의 "혁신 의료기기 특별심사절차"에 들어갔다. 복강경 로봇은 수술 로봇의 가장 중요한 연구 방향으로 의료기기 분야의 항공모함으로 불린다. 투마이TM 로봇의 전립선 적출술에서의 성공적인 응용은 중국산 복강경 로봇이 좁은 해부 공간에서의 복잡한 병증 수술을 진행할 수 있는 능력을 구비하였음을 의미한다. 향후, 중국산 복강경 로봇 제품의 출시는 국제 첨단 기술을 임상에 보급하고 관련 주변 제품의 발전을 추진하며 의료 지출과 환자의 경제적 부담을 크게 경감할 전망이다.

무염소 표백 기술 펄프의 "배독" 및 "표백"

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치루(齐鲁)공업대학교 바이오소재재료친환경제지 국가중점실험실, 펄프제지과학기술 교육부중점실험실에서 공동 개발한 포플러 화학 펄프 세정 고효율 표백 기술이 전문가 검증을 거쳐 국제선진 수준에 도달했다. 전통적인 염소 표백은 일정량의 환경 유해물질을 생성하여 표백 폐수의 생화학적 처리가 어렵고 주기가 길며 과정이 복잡하다. 또한 식품포장지 등에 잠재적 위험을 가져다준다. 연구팀은 포플러 화학 펄프 세정 고효율 친환경 표백 신기술을 개발하여 전통 염소 표백의 일반적인 기술적 문제를 해결함과 아울러 백색도와 물리 성능이 우수한 고강도 펄프를 획득했다. 해당 기술은 친환경 화학적 방법과 생물화학적 방법의 ECF(Elemental chlorine free), TCF(Total chlorinefree) 표백 시리즈 기술을 포함한다. 해당 신기술은 기존의 ECF와 TCF 표백에 비해 펄프의 백색도를 1.7 %-3 % 향상시키고 표백 폐수의 생화학적 기능을 크게 개선시켰으며 표백 폐수 중의 화학적 산소요구량을 15% 이상 감소시켰다. 생물학적 효소 연화와 심층 분해 기술로 제조한 포플러 화학 펄프는 에너지 소모를 20% 감소할 수 있다. 품질검사기관의 검사 결과, 포플러 화학 펄프의 각종 물리적 성능 지표는 모두 국제 동종 제품보다 우수했다. 대조군 펄프와 비교 결과, 주요 강도 지표는 약 10% 향상되었고 백색도는 2% 이상 향상되었다.

최초로 양자 상변화 과정에서의 양자 금속상태 존재 입증

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전자과기대 전문가들로 구성된 연구팀은 세계 최초로 고온 초전도 나노 다공성 박막에서 양자 금속상태의 존재를 입증함으로써 양자 금속상태 연구에 새 아이디어를 제공했다. 해당 성과는 "초전도-절연 상변화에서의 보즈(Bose) 금속상태"라는 제목으로 "Science"에 최초 발표(First release) 형식으로 게재됐다. 양자재료 및 양자 상변화는 21세기 응집물질물리학 분야의 연구 핫이슈로 떠오르고 있다. 고온 초전도성이 발견된 이후 2차원 양자 금속상태의 존재 및 그 형성 메커니즘은 지난 30여 년 동안 해결하지 못한 중요한 물리 문제이다. 앤더슨 척도화 이론(Anderson scaling theory)에 의하면 양자간섭 효과 및 위상 간섭성 길이의 0℃에서 발산 특성으로 인하여 캐리어는 절대 0℃에 접근하는 조건에서 국소화 효과가 나타나기에 이론적으로 2차원 양자 금속상태가 존재하지 않는다. 또한 실험적으로 다양한 2차원 초전도 체계에서 가능한 양자 금속상태 경향이 발견됐지만 저임계온도의 제한 및 외계 고주파 잡음이 미치는 영향으로 2차원 양자 금속상태의 존재 여부에 관해서는 아직도 논쟁 중이다. 연구팀은 반응 이온 에칭 시간 조절을 통해 고온 초전도 이트륨 바륨 구리 산화물(Yttrium barium copper oxide, YBCO) 다공성 박막에서 초전도-양자 금속-절연체 상변화를 달성했다. 또한 극저온 수송 테스트를 통해 초전도, 금속 및 절연 해당 3가지 양자상태는 모두 쿠퍼 전자쌍 관련 h/2e 주기의 초전도 양자 자기유도 진동을 보유하고 있음을 발견했고 양자 금속상태는 보즈 금속상태임을 입증했으며 쿠퍼쌍 보존(Boson)이 양자 금속상태 형성에 대하여 주요 역할을 일으킴을 규명했다. 해당 성과는 양자재료에 대한 인식을 개변시킴과 아울러 양자 디바이스(Quantum device) 분야 발전을 추진할 전망이다.

2차원 고온초전도 메커니즘 규명

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중국과학기술대학교와 푸단대학교 공동 연구팀은 고온초전도 메커니즘 연구에서 새로운 성과를 이룩했다. 해당 성과는 "Nature"에 게재되었다. 초전도는 물리학에서 가장 매력적인 거시적 양자 현상이다. 현재 비정규적인 고온초전도 메커니즘은 완전히 밝혀지지 않았으며 고온초전도의 비밀은 많은 과학자들의 탐구 목표이다. 일반적인 연구방법은 가장 간결한 모델로 세계 기원의 법칙을 밝히는 것이다. 구리산화물 고온초전도체는 다양한 3차원 층상 결정구조를 가진다. 기존에 발견된 모든 구리기반 초전도체의 결정체 구조는 모두 동일한 구리-산소 구조단위를 가진다. 이러한 구리-산소 구조단위는 고온초전도성의 기원으로 간주되며 특히 고온초전도 메커니즘 연구에서 주로 구리-산소 표면 구조단위에 기반하여 2차원 이론 모델을 구축한다. 따라서, 실험실에서 구리-산소 구조단위 단일 층의 2차원 초전도체가 상응한 벌크 결정체와 동일한 초전도성과 정상상태 물리를 구비하는지 여부를 검증하는 것은 중요한 의미가 있다. 연구팀은 수년간의 탐색과 시험을 거쳐 단일 층의 비스무트2212 초전도체를 획득했고 실험을 통해 해당 단일 층의 구리 기반 초전도체가 상응한 벌크 구리 기반 초전도체와 완전히 동일한 초전도 전이온도, 캐리어 농도, 의존적 상평도 및 비정상적 정상 행위를 구비한다는 것을 발견했다. 해당 발견은 고온초전도체 2차원 이론적 모델을 위한 확실한 실험 기반을 마련하고 고온초전도체의 실험 연구를 위한 새 방향을 제시했다.

유기물 C-H 결합 정밀 전환이 현실화될 전망

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중국과학원 상하이유기화학연구소 류궈성(劉國生) 연구팀은 홍콩과기대학 린전양(林振陽) 연구팀과 공동으로 실험 및 이론적 계산을 통해 금속이 질소 자유기의 유기분자 내 수소 원자 선택적 전이를 조절하는 새 메커니즘을 규명함으로써 복잡계 올레핀 C-H 결합의 정밀 전환이 현실화될 전망이다. 해당 성과는 "Nature"에 온라인으로 게재되었다. 구조가 복잡한 유기약물의 특정 화학결합을 변화시키거나 또는 특정 작용기를 대체하여 약효가 완전 다른 산물을 획득할 수 있다. 유기분자 정밀 전환 구현에 있어 1) 유기분자 내 구조가 비슷한 C-H 결합으로부터의 지정 위치 정밀 수소 원자 탈취가 어렵고 2) 수소 원자 탈취 후 탄소 자유기를 어떻게 비대칭적으로 전환시켜 원하는 구조를 획득할지 등 2가지 핵심적 난제가 존재한다. 연구팀은 상기 2가지 문제를 해결하기 위해 2016년에 미국 과학자와 공동으로 최초로 구리 촉매 자유기 릴레이(Radical Relay)란 새 개념을 제안함과 아울러 고효율적이고도 고선택적으로 키랄성 니트릴화합물을 획득함으로써 간단한 석유화학제품을 약물분자 전구체로 직접 전환시키는데 성공했다. 천연약물 또는 합성물을 막론하고 그들 생물활성분자에 흔히 여러 개 올레핀 결합(olefinic bond)이 존재하는데 이는 자유기의 선택적 수소 원자 치환 문제를 야기한다. 이번 연구는 앞서 수행한 연구에 기반해 최초로 금속 구리 촉매제가 술폰아미드(sulfonamide)를 함유한 질소 자유기와 배위를 발생할 수 있고 이를 통해 질소 자유기의 수소 탈취 능력 및 선택성을 조절함으로써 복잡계 올레핀 분자의 정밀 전환을 구현했다. 해당 반응시스템은 복잡계 약물분자의 후기 정밀 수식에도 적용될 수 있어 신약 개발 및 약물분자 개조에 새 경로를 제공했다.

생체모방합성 방법을 통한 알킬화 최초 구현

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난카이대학 원소유기화학 국가중점실험실 왕칭민(汪清民) 연구팀은 알데히드 또는 케톤으로 질소 함유 방향족 헤테로고리 C-H 결합을 직접 알킬화시키는 방법을 개발해 신약·신소재 개발에 고효율적이고 실용적인 방법을 제공했다. 해당 논문은 "Science Advances"에 게재되었다. 질소 함유 방향족 헤테로고리는 천연산물, 약물, 농약, 유기재료에 광범위하게 존재한다. 선택적 C-H 결합 기능화(functionalization) 방식을 통해 질소 함유 방향족 헤테로고리를 함유한 약물, 농약, 유기재료 분자에 메틸기, 에틸기, 이소프로필기 등 알킬기를 도입하는 것은 약물, 농약, 유기재료 성능 개선에 중요한 의미가 있다. 하지만 자연계에 광범위하게 존재하고 함량도 풍부한 알데히드 또는 케톤을 사용한 질소 함유 방향족 헤테로고리의 알킬화반응 구현은 지금까지 실현 못한 세계적 어려움이다. 구체적으로 해당 반응은 C=O 결합을 끊어야 하는 외 카르보닐화합물과 질소 함유 방향족 헤테로고리의 극성도 매칭되지 않는다. 따라서 카르보닐화합물의 극성을 반전시킴과 아울러 C=O 결합을 끊는 비정규 방안 도출이 필요하다. 생명과정에서 일어나는 생물활성분자의 교묘한 합성은 감탄을 자아낼 정도이다. 최근 화학실험실에서의 생합성 과정 시뮬레이션, 상응 화학전환 유기화합물 고효율적 생체모방합성이 관심분야로 성장되었다. 연구팀은 생명과정에서의 양성자 짝이음 전자전달(PCET) 및 회전중심 전이(SCS)의 고효율성을 감안해 생체모방합성 전략으로 PCET와 SCS를 결합시켰다. 먼저 PCET 과정을 통해 카르보닐기를 활성화시켜 케틸기(ketyl radical)를 획득한 다음 케틸기를 질소 함유 방향족 헤테로고리에 첨가시켰다. 그 다음 SCS 과정을 통해 C-H 결합을 끊음으로써 알데히드 또는 케톤을 사용한 질소 함유 방향족 헤테로고리 알킬화반응을 구현했다. 카르보닐화합물을 알킬 자유기 등가체로 한 반응은 이번이 최초이다. 이로써 알데히드 또는 케톤으로 질소 함유 방향족 헤테로고리 알킬화반응을 구현 못하던 세계적 어려움을 해결했다. 연구팀은 혈중지질 조절약 에토피브레이트(etofibrate), 코르티솔(cortisol) 생합성 억제제 메티라폰(metyrapone), 혈관확장제 밀리논(Milrinone), 항히스타민제 로라타딘(loratadine) 등 약물 그리고 농약, 천연산물 및 재료의 후기 알킬화 수식에 새 방법을 성공적으로 응용하였다.