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비결맞음 조작 조건에서의 양자상태 전환 구현

중국과학기술대학교 궈광찬(郭光燦) 연구팀은 폴란드 바르샤바대학교(University of Warsaw)/독일 울름대학교(University of Ulm) 이론물리학자와 공동으로 최초로 큐비트의 비결맞음 조작 조건에서의 전환문제를 이론적으로 완전히 해결함과 아울러 실험설계를 통해 이를 검증하였다. 해당 성과는 "npj Quantum information"에 게재되었다. 최근 엄밀한 양자결맞음성 정의의 제안은 양자결맞음성 자원이론의 발전을 촉진하고 있다. 양자중첩성(quantum superposition)을 정량화하는 양자결맞음성은 양자물리/양자정보학의 핵심으로서 다양한 양자임무(예를 들면, 양자컴퓨팅, 양자통신 등) 수행에 중요한 응용가치가 있다. 연구팀은 비결맞음 조작 조건에서의 큐비트 전환문제를 이론적으로 완전히 해결함과 아울러 해당 결과를 분산시스템(distributed system) 결맞음 전환 연구에 확장시킴으로써 이체(two-body) 순수상태(pure state)의 보조적 전환을 완전히 해결함과 아울러 혼합상태(mixed state)의 보조적 전환도 일부분 해결하였다. 연구팀은 상기 이론적 작업을 토대로 일련의 실험을 설계해 이를 검증하였다. 연구팀은 큐비트를 광자의 편광상태(polarization state)에 인코딩하여 최초로 완전 광학적 엄격한 비결맞음 조작장치를 설계하였다. 또한 단일큐비트/분산시스템에서 큐비트의 비결맞음 조작 조건에서의 전환을 고충실도로 구현하였다. 실험 결과, 광학기술을 이용해 양자상태의 비결맞음 조작 조건에서의 전환연구를 쉽게 수행할 수 있었다. 이는 구체적인 응용에서 기존의 광학기술로 결맞음성 전환을 구현하는데 기반을 마련하였다.

비결맞음 조작 조건에서의 양자상태 전환 구현

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중국과학기술대학교 궈광찬(郭光燦) 연구팀은 폴란드 바르샤바대학교(University of Warsaw)/독일 울름대학교(University of Ulm) 이론물리학자와 공동으로 최초로 큐비트의 비결맞음 조작 조건에서의 전환문제를 이론적으로 완전히 해결함과 아울러 실험설계를 통해 이를 검증하였다. 해당 성과는 "npj Quantum information"에 게재되었다. 최근 엄밀한 양자결맞음성 정의의 제안은 양자결맞음성 자원이론의 발전을 촉진하고 있다. 양자중첩성(quantum superposition)을 정량화하는 양자결맞음성은 양자물리/양자정보학의 핵심으로서 다양한 양자임무(예를 들면, 양자컴퓨팅, 양자통신 등) 수행에 중요한 응용가치가 있다. 연구팀은 비결맞음 조작 조건에서의 큐비트 전환문제를 이론적으로 완전히 해결함과 아울러 해당 결과를 분산시스템(distributed system) 결맞음 전환 연구에 확장시킴으로써 이체(two-body) 순수상태(pure state)의 보조적 전환을 완전히 해결함과 아울러 혼합상태(mixed state)의 보조적 전환도 일부분 해결하였다. 연구팀은 상기 이론적 작업을 토대로 일련의 실험을 설계해 이를 검증하였다. 연구팀은 큐비트를 광자의 편광상태(polarization state)에 인코딩하여 최초로 완전 광학적 엄격한 비결맞음 조작장치를 설계하였다. 또한 단일큐비트/분산시스템에서 큐비트의 비결맞음 조작 조건에서의 전환을 고충실도로 구현하였다. 실험 결과, 광학기술을 이용해 양자상태의 비결맞음 조작 조건에서의 전환연구를 쉽게 수행할 수 있었다. 이는 구체적인 응용에서 기존의 광학기술로 결맞음성 전환을 구현하는데 기반을 마련하였다.

50km 광섬유의 원거리 메모리 간 양자 얽힘 구현

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중국과학기술대학교 판젠웨이(潘建伟), 바오샤오후이(包小辉), 장챵(张强) 연구팀은 지난(济南)양자기술연구원 및 중국과학원 상하이마이크로시스템·정보기술연구소 연구팀과 공동으로 고광도 라이트와 원자 얽힘원, 저잡음 고효율 단일광자 주파수 변환 기술 및 원거리 단일광자 정밀 간섭 기술 연구를 통해 광섬유 거리가 50km인 두 개의 양자 메모리 얽힘에 성공함으로써 양자 리피터에 기반한 양자 네트워크 구축을 위한 기반을 마련했다. 해당 성과는 "Nature"에 게재되었다. 글로벌 양자 네트워크를 구축함과 아울러 이를 기반으로 양자 통신을 구현하는 것은 양자 정보 연구의 궁극적인 목표이다. 국제학술계에서 광범위하게 이용되고 있는 양자 통신 네트워크 개발 로드맵은 위성에 기반한 자유공간 채널을 통해 광역 대규모 전파를 달성하고 광섬유 네트워크를 통해 도시권 및 도시 간 지면 전파를 달성하는 것이다. 그러나, 광섬유에서의 광신호 지수 감쇠로 인해 최장거리 점대점 지면 안전 통신 거리는 수백 km에 불과하다. 원거리 점대점 전송을 분단 전송으로 변경하고, 양자 리피터 기술을 이용하여 캐스케이드를 진행하면 안전 통신 거리를 대폭 확장시킬 수 있을 뿐만 아니라 전체 양자 네트워크 구축을 가능하게 한다. 그러나, 빛과 원자의 얽힘 밝기가 낮고 원자 메모리 파장과 통신 광섬유의 비매칭 및 원거리 단일광자 간섭과 같은 기술적 어려움으로 기존의 최장거리 광섬유 양자 얽힘은 수 km 정도에 불과했다. 이러한 기술적 어려움을 해결하기 위해, 연구팀은 3개 분야의 기술을 중점적으로 공략했다. 1) 링 캐비티 증강 기술을 이용하여 단일광자와 원자시스템 간 결합을 개선하고 광경로 전송 효율을 최적화함으로써 기존의 빛과 원자 얽힘의 밝기를 1등급 업그레이드시켰다. 2) 원자 메모리가 대응하는 광파장이 광섬유에서의 소모가 약 3.5 dB/km에 달하기에 50km 광섬유에서 광신호가 10억분의 1(10-17.5)로 감쇠되어 양자 통신이 불가능한 문제점에 대해 연구팀은 자체적으로 주기적 분극 니오브산리튬 도파관을 개발하고 비선형 주파수 차이 과정을 통해 메모리의 광파장을 근적외선(795nm)에서 통신 대역(1342nm)으로 변환시켰으며 50km 광섬유를 통과한 후, 백분의 1 이상으로 감쇠되어 기존 효율보다 16배 향상시켰다. 3) 원거리 단일광자 간섭을 달성하기 위해 이중 위상 잠금 솔류션을 설계하여 성공적으로 50km 광섬유 전송 후 광경로 차이를 약 50nm로 제어하였다. 연구팀은 해당 기술을 결합하여 최종적으로 50km 광섬유 전송의 2극관 얽힘을 달성하고 22km 외부 광섬유의 2극관 얽힘을 구현했다. 현재 실험 단계에 처한 2개의 양자 메모리는 동일한 실험실에 위치하고 있다. 향후, 연구팀은 독립된 레이저의 위상 동기화 등 기술을 개발하여 진정한 원거리 2극관 실험을 달성할 예정이다. 해당 연구는 기존의 멀티노드 얽힘 기술(Nature Photonics, 13, 210, 2019), 리드베르크에 기반한 결정적 얽힘 기술(Phys. Rev. Lett. 123, 140504, 2019) 및 100밀리초 스토리지 기술(Nature Photonics. 10, 381, 2016)을 결부하여 양자 리피터와 전체 양자 네트워크의 실험 연구를 크게 촉진시킬 전망이다.

최초로 표준 양자 샤논 이론을 초월하는 양자통신 달성

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중국과기대 궈광찬(郭光燦) 연구팀의 리촨펑(李傳鋒), 류비헝(柳必恒) 등은 홍콩대학 이론물리학자와 공동으로 최초로 표준 양자 샤논 이론(Shannon theory)을 초월하는 양자통신을 달성했다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"에 게재됐다. 샤논 이론은 고전 정보이론의 기반이며 그중 정보 캐리어(Information carrier)는 고전 시스템이다. 20세기 40년대 말, 미국 수학자이며 정보이론 창시자인 클로드 샤넌(Claude Shannon)은 고전물리학적 법칙에 근거하여 데이터 전송 모델을 구축함과 아울러 정보이론을 구축했다. 고전 시스템을 기반으로 구축된 샤논 정보이론은 정보 캐리어(예를 들어 광자) 또는 통신채널(예를 들어, 광케이블)을 모두 고전 시스템으로 간주한다. 이들은 명확한 정의, 완전히 구분 가능한 상태를 보유하고 있다. 물리학자들은 정보이론 기반 양자 버전을 개발하여 정보 캐리어가 양자 시스템일 경우 어떠한 새로운 가능성이 생성되는 지를 연구하고 있다. 정보 캐리어를 양자 시스템에 보급할 경우 표준 양자 샤논 이론을 얻을 수 있다. 양자통신 및 양자정보의 기반인 해당 이론은 이미 양자정보 압축, 잡음 채널에서의 정보 전송, 양자얽힘 보조 기반 양자통신 등 분야에서 크나큰 성공을 이룩했다. 최근 2년 동안 이론적 연구를 통해 여러 개 채널 연결 순서가 결맞음 중첩(Coherent superposition) 상태일 경우 고전 정보 및 양자정보의 전송 속도는 표준 양자 샤논 이론에 비하여 더한층 향상됨을 발견했다. 이에 영감을 받고 리촨펑, 류비헝 등은 광학적 양자 스위치(Quantum switches)를 통해 2개 채널 두 가지 연결 순서 기반 결맞음 중첩 등 기술을 달성함으로써 결맞음 중첩 조작의 충실도를 97% 이상에 도달시켰다. 또한 이를 기반으로 고전 정보 및 양자정보의 고충실도 전송을 각각 달성했다. 실험 결과, 해당 연구는 표준 양자 샤논 이론 통신 모델(전송 경로 비결맞음 중첩)의 결과에 비하여 우수했다. 동 연구는 세계 최초로 양자 채널 인과 관계 순서 기반 결맞음 중첩을 이용해 표준 양자 샤논 이론을 초월하는 양자통신 원리의 실험적 검증을 달성했다. 이는 샤논 이론 제2 양자화(Second quantization)의 중요한 단계이며 양자 컴퓨팅, 양자 정밀 측정 및 양자 시공간 시뮬레이션에서 중요한 용도가 있다.

클래식 컴퓨터를 능가하는 신형 확장 가능한 광자컴퓨터 개발

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상하이교통대학교 집적양자정보기술연구센터 진셴민(金賢敏) 연구팀은 집적칩, 광자개념, 비 폰노이만아키텍처(Von Neumann architecture) 등을 결합시킨 광자컴퓨터를 개발하였다. 동 컴퓨터는 특정 난제 해결 분야에서 클래식 전자컴퓨터를 능가하는 잠재력을 보유할 뿐만 아니라 물리적 규모 확장도 가능하다. 해당 연구는 클래식 컴퓨터를 능가하는 연산능력 구현을 위해 참신한 아이디어를 제공하였고 또한 광자컴퓨터의 미래 가능성을 제시하였다. 해당 성과는 "Science Advances"에 게재되었다. 집적도의 지속적인 향상은 컴퓨터에 갈수록 강력한 연산능력을 부여하고 있다. 하지만 고도의 집적화로 초래되는 칩의 "방열 문제" 및 "양자 터널링 효과"로 인해 무어의 법칙이 머지않아 더 이상 적용되지 않을 것이란 연구보고도 속속 발표되고 있다. 새로운 연산방식 발굴은 인류의 연산능력을 더한층 향상시키는 중요한 수단이다. 이에 따라 양자컴퓨팅, DNA컴퓨팅, 광학컴퓨팅 등 연산방식이 제안되고 있다. 2019년 말에 구글은 53큐비트 양자컴퓨터를 선보이고 "양자패권"을 선언함과 아울러 최초로 비 폰노이만아키텍처의 비교우위를 규명하였다. 진셴민 연구팀은 취약한 양자특성에 의존하는 대신 광자 고유의 비교우위에 의존해 특정 연산문제에서 클래식컴퓨터를 능가하는 광자컴퓨터의 잠재력을 구현하였다. 해당 광자컴퓨터로 해석한 부분집합 합 문제(subset sum problem, SSP)는 연산 복잡도로 말하면 NP 문제(클래식 컴퓨터로 고효율적 솔루션이 불가능한 문제) 중 가장 어려운 유형에 속한다. SSP는 신형 컴퓨팅아키텍처의 연산능력 평가의 중요 지표로 이용할 수 있다. 연구팀은 SSP를 3종 기본구조로 구성된 3차원 집적광도파로네크워크에 성공적으로 매핑시킴과 아울러 펨토초레이저직접기록(femtosecond laser direct writing) 기술을 이용해 광자칩 내부에 기입하였다. 광도파로네크워크에 광자 주입시 연산과정은 활성화된다. 광자는 연산 매개체로서 광도파로네크워크에서 변화하는데 모든 가능한 변화경로 탐색을 통해 해(solution)를 찾는다. 광자컴퓨터의 병렬 연산방식, 집적광도파로네크워크의 조밀도(compactness) 그리고 빛의 매우 빠른 전파속도, 강한 간섭방지 능력 등에 힘입어 SSP 솔루션의 속도는 더 빨라졌고 물리적 규모 확장도 가능하다. 연구팀은 더 큰 규모의 광자칩 및 측정시스템을 구축해 더 큰 스케일의 문제 해결, 보다 강력한 연산능력 구현을 계획하고 있다.

위성연료의 고효율적 이용기술 개발해 위성수명 연장에 일조

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중국항천과기그룹 제5연구원 502연구소가 자체적으로 개발한 위성연료 고효율적 이용기술이 궤도상 둥팡훙(東方紅) 5호 위성플랫폼에 활용되어 양호한 효과를 내고 있다. 위성수명에 영향을 미치는 주요소인 연료의 고효율적이고도 철저한 이용은 위성의 작동시간을 연장시킬 수 있다. 해당 위성연료 고효율적 이용기술은 차세대 판형 표면장력 저장탱크, 높은 정밀도의 우주 초음파 유량계, 높은 정밀도의 균형적 연료방출기술 등을 포함한다. 둥팡훙 5호 플랫폼 첫 위성에 활용된 상기 기술 중 차세대 판형 저장탱크는 연료에 대한 "완전관리"를 달성함으로써 연료 분출 효율을 99.85%로 향상시켜 현재 세계 최고 수준인 99.5%를 초과했다. 또한 세계 최초로 위성연료 유동량에 대한 궤도상 직접적 측정을 달성함과 아울러 연료 균형적 방출제어 정밀도를 0.5% 이상으로 끌어올렸다. 상기 기술은 위성연료의 고효율적 이용을 달성하는데 있어 핵심기술일 뿐만 아니라 범용기술로서 중국 우주선 성능 향상에 중요한 의미를 지닌다. 미세중력 환경의 우주에서 위성 저장탱크 내 연료 및 연료압출용 가압기체는 혼합 부유상태에 처하게 된다. 저장탱크 내 강부식 연료에 대한 정밀 위치결정, 효과적 분리, 정밀 측정 등은 매우 어렵다. 중국은 대용량 저장탱크 완전관리 기술을 미처 파악하지 못한 상황에서 저장탱크를 상단과 하단으로 분할하여 설계하였는데 미세중력 환경에서 저장탱크 하단 연료밖에 관리할 수 없고 따라서 제어불능 연료는 시종 저장탱크 상단에 부유상태로 존재하기에 이용이 불가능하다. 뿐만 아니라 연료 잔여량도 직접적이 아닌 간접적인 방법으로 측정할 수밖에 없어 위성수명 평가에도 비교적 큰 오차를 가져다준다. 연구팀은 십여 년의 노력 끝에 판형 표면장력 저장탱크를 혁신적으로 설계해 부유상태 기-액 효과적 분리 및 수송을 구현하였고 또한 연료 제어능력을 "반관리"에서 "완전관리"로 끌어올림으로써 한 방울 연료까지 고효율적으로 이용하기 위한 목표에 한 발짝 다가섰다. 연료사용 상황을 실시간으로 파악하기 위해 연구팀은 강부식성 및 유동량 측정이 어려운 문제를 감안한 위성용 유량계를 개발하였다. 동 유량계는 초음파의 탱크벽 투과를 이용해 연료 사용량을 비접촉적으로 측정한다. 다시 말해 초음파 발사/반사 시간차로 연료의 유동속도를 측정하는데 그 시간차 정밀도는 빛이 0.3m 거리를 통과하는데 소요되는 시간에 해당하는 10억분의 1초에 달한다. 이를 기반으로 개발된 균형적 방출 기술은 2개 저장탱크 연료방출량에 대한 실시간 정밀제어가 가능하며 그 정밀도는 0.5% 이상이다. 이는 세계 최고의 수준으로서 위성안전 더 한층 보장, 위성수명 연장에 일조할 수 있다.

GNSS 탐사위성 발사, 지진 및 기상 예보를 위한 실시간 데이터 제공

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중국은 타이위안(太原)위성발사센터에서 창정(长征) 2호 정(丁) 운반로켓으로 중국 최초의 상용 GNSS(Global Navigation Satellite System) 엄폐(Occultation) 탐사 로드를 발사하여 성공적으로 예정된 궤도에 진입시켰다. 톈진(天津)대학교 리펑후이(李峰辉) 연구팀이 자체 개발한 GNSS는 0~60킬로미터 대기층 및 100~800킬로미터 전리층 탐사 작업을 수행할 수 있기에 지구 기상 예보와 지진 예보에 중요한 데이터 서비스를 제공할 전망이다. GNSS 엄폐 탐사 로드는 지구 궤도상의 "GNSS 항법 별자리-지구-LEO 엄폐 별자리" 사이 암성 현상을 이용하여 지구 대기 측정을 진행하는 기상 원격 감지 장치이다. 해당 장치는 0~60킬로미터 대기층의 굴절률과 온습도, 100~800킬로미터 전리층의 전자 함량과 전자 밀도를 지속적으로 탐측함으로써 지표면 대기층과 전리층 연구에 중요한 데이터를 제공하고 기상 예보, 지구 기후 변화 및 지진 예측 등을 위한 중요한 가치가 있다. 국제적으로 이미 GNSS 암성 탐사 로드를 지진 예보, 기상 탐측 등 분야 연구에 응용하고 있다. 중국 최초의 상용 GNSS 엄폐 탐사 로드는 저원가, 저전력 소모, 소형화, 저중량 등 특징을 보유하고 있다. 무게는 1킬로그램 이하이고 수명은 3년 이상이며 높은 시공간 해상도를 구비하여 동시에 지구의 여러 영역을 탐측하여 대기층에서 전리층에 이르는 지속적인 탐측을 진행할 수 있다. 이는 기존 탐사기가 구비하지 못한 기능이다. 또한, 다양한 유형의 인공위성을 우주로 진입시키고 궤도에서 대량의 엄폐 신호를 수집할 수 있다. 연구팀은 상업화 운영을 통해 네트워킹 비용을 크게 줄이고 엄폐 탐사 시스템의 네트워킹 효율을 극대화시켰다. GNSS는 궤도상 암성 데이터 수집과 테스트를 진행하여 글로벌 네트워킹 작업을 위한 기반을 마련할 전망이다. 향후, 연구팀은 80개의 위성으로 구성된 궤도상 글로벌 네트워크를 구축하여 외국 기술 독점을 깨고 업스트림과 다운스트림의 산업개발을 지원하며 실시간으로 대기층과 전리층을 탐측하여 글로벌 지진 단기 예보와 기상 예보 서비스를 제공함으로써 "일대일로" 국가에 최소 값이 20min보다 빠른 실시간 기상 예측 정보와 지진 단기 예측 정보를 제공할 예정이다.

퀘이사 기하학적 거리측정 최초로 구현

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중국과학원 고에너지물리연구소 왕젠민(王建民) 연구팀은 참신한 기하학적 거리측정 방법을 개발해 퀘이사 "3C-273"의 우주거리를 성공적으로 측정하였다. 기존의 측정 도구와 비교할 수 없는 장점을 보유한 해당 기하학적 방법은 날로 심각해지는 "허블상수 위기" 해결에 새 경로를 제공하였다. "Nature Astronomy"에 게재된 해당 성과는 원고심사자로부터 블랙홀 질량 및 우주거리 측정 정밀도 향상의 필수방안으로서 학계의 환영을 받을 것이라는 평가를 받았다. 퀘이사가 발견되어 반세기 동안 그 우주거리 측정은 천문학계가 해결해야 할 어려운 과제로 남아있다. 유럽남방천문대(ESO)는 약 1억 유로를 들여 10년에 거쳐 GRAVITY("중력")장치를 개발한 다음 세계에서 가장 선진적인 초대형망원경간섭계(VLTI)에 장착하였다. 2017년부터 2018년 사이 GRAVITY 연구팀은 퀘이사 3C-273의 넓은 선 영역(Broad Line Region, BLR) 각지름이 46마이크로아크세컨드(μas, microarcsecond)임을 측정하였는데 이는 현재 활동성 은하핵(active galactic nucleus, AGN)의 BLR에 대한 최대 공간해상도 관측이다. 왕젠민 연구팀은 2012년부터 중국과학원 윈난천문대 리장(丽江)2.4m망원경을 이용해 활동성 은하핵의 BLR에 대한 장기적 스펙트럼 모니터링을 수행하였다. 연구팀은 반향 측량(reverberation mapping) 관측기술을 이용하여 최근 10년 동안 다양한 필수적 분석방법 및 소프트웨어를 체계적으로 개발하였다. 뿐만 아니라 최대 엔트로피, 마코프 체인 몬테카를로(Markov Chain Monte Carlo, MCMC) 등 방법을 통한 BLR의 물리적 축척/기체 기하학적 구조 및 동역학 상태 획득, 중심 블랙홀의 질량 측정을 구현함으로써 고정밀도 블랙홀 질량 및 우주거리 측정을 위해 기반을 마련하였다. GRAVITY 연구팀이 퀘이사 3C-273 간섭관측 결과를 발표한 후 왕젠민 연구팀은 각자 독립적 관측 데이터 간의 상호보완성을 인식하였다. 즉, GRAVITY의 관측은 BLR의 개방각도지만 반향 측량 관측은 물리적 치수이기에 양자를 결합시켜 고정밀도 거리측정을 구현할 수 있다. 연구팀은 GRAVITY 간섭 데이터를 리장2.4m망원경과 미국 스튜어드(Steward) 천문대 Bok2.3m망원경의 10년 동안의 반향 측량 데이터와 결합시킨 다음 모델링 종합분석을 통해 3C-273의 각거리는 551.5MPC, 허블상수는 71.5km/s/Mpc임을 획득하였다. 3C-273은 지구와 약 20억 광년 떨어져 있는데 이는 세페이드변광성 거리측정 방법의 한계를 훨씬 초과한다. 왕젠민 연구팀은 GRAVITY/VLTI 관측과 반향 측량 관측을 결합시킨 분석을 통해 퀘이사 거리 직접적 측정을 구현함으로써 "허블상수 위기" 해결에 새 방법을 제공하였고 또한 우주의 기하학적 정밀 측도, 우주팽창속도 및 역사 연구를 위해 새 경로를 개척하였다. 현재 GRAVITY 연구팀과 왕젠민 연구팀은 공동 관측을 적극 추진해 샘플을 확충함으로써 후속 허블상수 측정 정밀도를 2% 위로 향상시킬 예정이다. 향후 5년에 차세대 GRAVITY 관측능력이 대폭 향상될 경우 허블파라미터(Hubble Parameter) 직접적 측정, 우주의 팽창역사 연구 및 우주론 모델에 대한 검증이 이루어져 우주론, 암흑물질, 암흑에너지 및 새 물리에 대한 심층적 인식이 넓혀질 전망이다.

"중국 톈옌" 국가 검수에 통과

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2020년 1월 11일, "중국 톈옌(天眼)"으로 불리는 국가중대과학기술인프라스트럭처 직경 500미터 구면 전파망원경(FAST)이 순조롭게 국가 검수에 통과되어 본격적인 오픈 운영에 돌입했다. FAST의 종합성능은 세계 선진 수준에 도달했다. 이는 중국이 천문학 분야에서 중대한 독창성 성과 달성을 추진하는데 중요한 의미가 있다. 기존의 대형 전파망원경의 시운전 주기는 일반적으로 4년이 넘는다. FAST의 수신 면적이 거대하고 구조 시스템이 복잡하기에 FAST 시운전은 매우 어렵다. FAST 연구팀은 2년 동안의 시운전을 통해 추적, 드리프트 스캔(Drift-scan), 운행 중 스캔 등 다양한 관측 모드를 달성했으며 여러 항목의 핵심 지표는 예정 목표를 초과하여 2019년 4월, 공법 검수에 통과됨과 아울러 중국 천문학자를 대상으로 시험적으로 개방했다. FAST가 시운영된 후 시설 운행은 안정적이고 신뢰적이었으며 민감도는 세계 2번째 규모 단일구경 전파망원경의 2.5배 이상에 달했다. FAST의 주요 성능 지표는 세계 최고 수준에 도달했으며 시운전 단계에 가치 있는 과학적 데이터를 획득함으로써 단계적 과학성과를 거두었다. FAST는 새 설계 이념을 채택했고 구이저우성(貴州省) 카르스트 오목지형을 FAST 구축 위치로 선정했으며 거대 망원경 구축 새 방법을 개척했다. 세계 최대 단일구경 전파망원경인 FAST는 여러 항목의 자체 혁신을 달성했으며 관련 과학, 관련 분야 산업기술 수준 및 자체 혁신 능력을 뚜렷하게 향상시켰다.

최초로 고품질 뿔이끼 참조 게놈 발표

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중국과학원 식물연구소 천즈돤(陳之端) 연구팀은 일련의 정밀 설계 기반 오염제거 과정을 통해 119Mb의 Anthoceros angustus(芽胞角苔)게놈 조립을 달성함과 아울러 최초로 고품질 뿔이끼 참조 게놈을 획득했다. 해당 성과는 "Nature Plants"에 온라인으로 게재됐다. 연구팀은 2008년에 뿔이끼 게놈 시퀀싱 계획을 가동한 후 다년간 연구를 통해 뿔이끼 게놈 해석에 성공했다. 동 연구는 계통발생 유전체학적 분석을 통해 선태류 식물의 단계통성을 더한층 확정함과 아울러 뿔이끼류는 선태류 하위 계통의 최하층에 위치해 있다는 주장을 뒷받침했다. 연구팀은 또한 식물이 육지로 진화하는 과정에서 뿔이끼는 간단한 형태 구조에 적합한 저가외성(Low redundancy) 작은 게놈을 보유하며 해당 게놈은 기능의 완전성을 갖추었는바 식물발달과 관련된 기본 전사 조절 "툴킷(Toolkit)"을 포함함을 발견했다. 이와 반대로 뿔이끼 게놈의 RNA 편집, 자외선 저항성 및 탈수 저항성 등 환경 적응과 관련된 유전자 패밀리는 직렬반복(Tandem repeat)을 통해 확장됐으며 동시에 뿔이끼는 토양 세균 및 진균으로부터 전이된 유전자에 힘입어 저항성 응답 및 대사 관련 유전자 성분을 풍부히 했다.

대뇌 면역세포의 기억 상실 주도 메커니즘 발견

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저장(浙江)대학교 의과대학 연구팀은 뇌 속 면역세포가 시냅스를 제거함으로써 기억 상실을 주도함을 발견했다. 해당 연구는 "복습을 많이 하면 쉽게 잊혀지지 않는다.”는 관점에 과학적 근거를 제공함과 아울러 장기 기억 공고화와 나쁜 기억 제거 연구에 전망과 기반을 제공했다. 해당 성과는 "Science"에 온라인으로 게재되었다. 대뇌 시상과 내측 측두엽 사이에 위치한 해마체는 기억을 암호화하고 저장하는 중요한 뇌영역이다. 해당 영역에서 기억 정보는 일부 뉴런에 부호화되며 기억각인 세포로 불린다. 기존의 연구에서 기억각인 세포의 재활성화가 기억 인출의 "엔진" 역할을 하고 기억각인 세포 사이의 시냅스 연결이 기억을 저장하는 "창고" 역할을 한다는 것을 발견했다. 대뇌 속의 기억 상실 메커니즘을 연구하기 위해, 구옌(谷岩) 연구팀과 왕랑(王朗) 연구팀은 특정 환경에서 생쥐한테 전기적 충격을 가하여 생쥐가 해당 환경에 대한 기억을 구축하도록 하였다. 35일 후, 감전된 생쥐를 해당 환경에 보내 생쥐가 감전의 고통을 기억하고 두려움을 보일지 여부를 관찰했다. 실험 결과, 기억은 시간이 지남에 따라 감퇴되었고 이에 작용하는 것은 일종의 미세아교세포였다. 미세아교세포는 대뇌 세포 총 수의 10% 내지 15%를 차지하며 중추신경계의 주요 면역세포이다. 실험에 따르면 미세아교세포는 시냅스 구조를 "먹어버리는" 능력을 보유하고 있다. 생쥐의 미세아교세포 식세포 작용이 억제될 때, 기억 상실이 현저히 차단되었다. 해당 실험 결과는 미세아교세포가 시냅스를 "먹어버림"으로써 기억 상실을 매개한다는 것을 입증한다. 지식 복습을 예로 들어, 복습은 기억각인 세포와 상응한 시냅스 연결을 더 활성화시킴으로써 시냅스라는 다리를 철근 콘크리트로 견고화하는 것과 같다. 복습하지 않으면 "다리"는 장기 방치되어 미세아교세포라는 "철거팀"에 의해 식별되고 철거된다. 향후, 연구팀은 질병으로 인한 기억 장애와 기억 상실 메커니즘에 대한 심층 연구를 전개할 예정이다.

친환경 다수확 벼 신품종 육성 핵심 유전자 발견

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중국과학원 유전·발생생물학연구소 푸샹둥(傅向東) 연구팀은 8년간 연구를 거쳐 기존의 벼 품종에서 핵심 유전자 NGR5를 획득함으로써 "저투입 다수확" 친환경 벼 신품종 육성에 가능성을 가져다주었다. 또한 친환경 다수확 고효율 농작물 분자 설계 육종에 이론적 기반을 마련함과 아울러 육종 이용 가치를 보유한 유전자자원을 제공했다. 해당 성과는 "지베렐린 신호전달 새 메커니즘 조절에 의한 벼 질소비료 고효율 이용에 관한 최신 연구성과"라는 제목의 연구논문(Research Article) 형식으로 "Science"에 게재되었다. 해당 성과는 지베렐린 신호전달 및 식물의 질소에 대한 응답 사이의 복잡한 상호작용 메커니즘 인식을 심화시키고 식량 수확량 지속적 향상을 보장함과 동시에 벼의 질소비료 이용 효율을 향상시켜 화학비료 투입을 절감시킴으로써 환경오염을 감소시키는 육종 새 전략을 개척했다. 이는 "저투입 다수확" 작물 신품종을 육성하여 지속적인 식량안전을 보장하는데 도움이 된다. 벼는 중국의 중요한 식량작물로서 국가 식량안전 및 사회안정을 보장하는데 매우 중요한 역할을 한다. 질소비료는 농업생산에서 요구량이 가장 많은 화학비료 품종으로서 작물 수확량을 증가시키고 농산물 품질을 개선시키는데 중요한 역할을 한다. 하지만 육종 시작에서부터 작물의 질소비료 이용 효율을 향상시켜 왜성(Dwarf) 육종을 특징으로 하는 "녹색혁명" 품종의 다수확 특성을 보유하면서도 질소비료 시비량을 감소시켜 "저투입 다수확" 목표에 도달할지가 현재 중국 농업의 지속가능발전 과정에서 시급히 해결해야할 주요 과제이다. 연구팀은 화학적 돌연변이 및 유전학적 스크리닝을 이용하여 "녹색혁명" 유전자를 지닌 벼 품종 9311개에서 1개의 수확량 형질이 질소 응답에 민감하지 않은 돌연변이체를 선별함과 아울러 지도 기반 복제(Map-based cloning) 방법을 통해 질소비료 고효율 이용 핵심 유전자 NGR5를 획득했다. 연구 결과, NGR5는 벼 성장 발육(식물체 높이, 분얼 및 이삭당 완전 낟알 수 등 주요 농업형질) 과정에서 질소에 응답하는 상향조절 인자이며 동시에 NGR5의 유전자 발현 수준 및 단백질 축적량은 시비량의 증가에 따라 증가된다. 현재 주요재배 다수확 벼품종에서 NGR5 발현량을 향상시킬 경우 벼의 질소비료 이용 효율을 향시킬 수 있을 뿐만 아니라 우수한 반왜성(Semi-dwarf) 다수확 특성을 보존시켜 최종적으로 벼에 대한 질소비료 시비량을 적당하게 감소시키는 조건에서 더욱 높은 수확량을 확보할 수 있다. 연구팀은 또한 1개의 새로운 우수한 대립유전자 NGR5(hap.2)를 발견했는데 그 발현량은 질소 변화에 대한 응답이 더욱 민감하여 해당 우수한 대립변이 위치를 기존의 다수확 벼 품종에 도입하면 "저투입 다수확" 친환경 벼 신품종을 육성할 수 있다. 심층적인 연구 결과, NGR5는 지베렐린 신호전달 경로의 새 핵심 "소자"로서 지베렐린 수용체 GID1 단백질과 상호작용한다. NGR5는 또한 폴리콤 유전자 억제 복합체 2(Polycomb repressive complex 2, PRC2)라고 부르는 단백질 복합체와 상호작용할 수 있으며 H3K27me3 메틸화 수식 수준 유도를 통해 표적유전자의 발현을 조절하고 더 나아가 벼 분얼 등 농업형질 및 질소에 대한 응답을 조절한다. 지베렐린은 NGR5 단백질 분해 촉진을 통해 후성유전학적 수식 감소를 유발하며 더 나아가 표적유전자의 전사 활성화를 증가시켜 지베렐린의 식물 분지(Branch) 생장 발육 촉진을 달성한다. 해당 지베렐린의 신호전달 새 메커니즘 발견은 지베렐린의 작용 메커니즘에 대한 인식을 풍부히 함과 아울러 분자 수준에서 "녹색혁명" 왜성 품종이 높은 시비량 조건에서 수확량이 증가되는 원인을 규명했다. 동 연구에서 또한 NGR5와 DELLA 단백질의 상호작용 메커니즘을 발견했으며 DELLA 단백질은 경쟁적으로 지베렐린 수용체 GID1 단백질과 결합하고 지베렐린이 유도하는 NGR5 단백질 분해를 억제하며 더 나아가 NGR5 단백질의 안정성을 증가시킴을 발견했다. DELLA 단백질 축적은 제1차 "녹색혁명"을 이끌었으며 식물체의 반왜성, 높은 시비량 내성 및 내도복성 다수확 목표를 달성했다. NGR5 단백질의 고수준 축적은 "녹색혁명"의 반왜성 우량 형질을 개변시키지 않고 벼 분얼수를 증가시킬 수 있기에 질소비료 시비량을 감소시키는 조건에서 주요 재배 품종의 수확량 및 질소비료 이용 효율을 한층 더 향상시킬 수 있다. 동 연구는 "저투입 다수확 환경보호" 기반 친환경 다수확 고효율 농작물 분자 설계 육종에 이론적 기반을 마련함과 아울러 육종 이용 가치를 구비한 유전자자원을 제공했다.

항종양 초음파역동민감제로 흑린나노시트 압전재료를 꼽아

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중국과학기술대학교 양리화(陽麗華)/지헝싱(季恒星) 연구팀은 공동으로 초음파역동민감제로 될 수 있는 압전재료를 발견함으로써 임상 초음파역동치료(sonodynamic therapy)를 통한 종양세포 제거에 도움을 제공하였다. 해당 성과는 "The Journal of Physical Chemistry Letters"에 게재되었다. 악성종양은 인류의 건강 심지어 생명을 심각하게 위협하고 있다. 현재 임상에서 외과수술, 화학요법, 방사선요법 등 3가지 방법으로 악성종양을 치료하고 있지만 재발 및 병소전이가 쉬운 등 단점이 있다. 최근 초음파역동치료는 그 안전성 고효율성으로 인해 광범위한 관심을 받고 있다. 초음파역동치료는 민감제가 여기에너지(excitation energy)의 여기에 의해 생성하는 활성산소물질을 통해 종양세포를 제거한다. 초음파는 초음파역동치료의 여기에너지로서 안전하며 조직투과력이 높은 등 장점을 보유하기에 임상에 광범위하게 응용되고 있다. 하지만 희소한 초음파역동민감제로 인해 초음파역동치료 발전은 제한을 받고 있다. 초음파역동치료에 있어 초음파역동민감제 개발은 시급한 과제이다. 이와 관련해 연구팀은 압전재료가 초음파역동민감제로 될 수 있음을 발견하였고 또한 실험결과를 통해 입증하였다. 연구팀은 흑린(black phosphorus)나노시트를 모델압전재료로 하여, 적정 에너지준위 구조를 보유한 압전재료가 초음파 조건에서 활성산소물질을 생성함으로써 종양세포에 대한 응답적 제거를 달성함을 입증하였다. 연구팀은 먼저 흑린나노시트의 압전성능을 검증함과 아울러 흑린나노시트가 외부 초음파 조건에서 활성산소물질을 생성할 수 있는 초음파역동민감제임을 규명하였다. 그 다음 체외 세포실험, 종양보유 실험용 생쥐 모델 등 2가지 분야에서 흑린나노시트가 초음파 여기에 의해 종양세포를 응답적으로 제거함으로써 항종양 치료효과를 달성함을 규명하였다. 관련 실험결과는 해당 압전재료가 초음파역동민감제로 될 수 있음을 입증한다. 해당 연구는 이러한 신형 초음파동역 민감화 메커니즘이 생명의학 분야에서 갖는 연구 가치를 제시하였다.

수소연료전지 드론의 331분간 논스톱 비행 세계기록 경신

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베이징신옌촹넝(新研創能)과기유한회사와 서우항궈이(首航國翼)가 공동으로 개발한 헥사로터 수소연료전지 드론이 331분간의 논스톱 비행을 달성해 HYDrone-1800 멀티로터 드론이 2016년에 세운 270분간 논스톱 비행 세계기록을 경신하였다. 해당 드론은 2kW 금속판 공랭식 스택(Stack) 및 19L/35MPa 경량 고압 수소저장용기를 탑재하고 2019년 12월 8일 오전 9시 23분에 우한에서 이륙하여 오후 2시 54분에 착륙함으로써 331분간 지속적 실외비행 신기록을 세웠다. 뿐만 아니라 쓰촨 간쯔짱족자치주에서 수행한 고원환경 장기체공 시험비행에 성공함으로써 강풍, 저온, 저산소 조건에서 신옌촹넝 수소연료전지 작동의 안정성을 입증하였다. 신옌촹넝은 2018년에 "수소연료전지 멀티로터 드론 산업화" 프로젝트를 가동하여 1년 동안 노력 끝에 출력밀도가 높고 무게가 가벼우며 부피가 작고 성능이 양호한 2kW급 금속판 연료전지 공랭식 스택 및 관련 시스템을 개발함과 아울러 드론과의 통합에 성공하였다. 수소연료전지 드론은 리튬전지 드론에 비해 항속능력이 우수하고 진동/오염이 없는 등 고유 장점을 보유하기에 응용전망이 밝다. 예를 들어 군집비행시 장기체공 통신중계드론은 드론 편대가 더 멀리 날아갈 수 있게 보장하기에 지금까지 불가능했던 복잡한 임무 수행이 가능해진다. 분리판(bipolar plate)은 수소연료전지 스택의 핵심부품이다. 현재 메인노선은 흑연전극판과 금속전극판으로 나누는데 후자는 대규모 생산이 쉬우며 해당 연료전지 스택 또한 가볍고 부피가 작으며 내진성능이 양호하고 저온에서의 무보조 시동이 가능하며 출력밀도가 높은 등 장점을 보유한다. 2017년에 설립된 신옌촹넝은 금속전극판 개발에 주력하고 있다. 동 회사는 0.1mm 금속판재 울트라딥 유로 가공·제조 공법 및 기술을 개발해 수소연료전지 스택에 응용하였는데 관련 성능은 세계 일류 수준에 도달하였다. 해당 스택을 탑재한 드론은 고효율과 안정성을 모두 달성할 수 있다. 이외 자동차용 수랭식 40kW 스택을 양산하였는데 부피출력밀도(Volumetric Power Density) 최대치는 2.9kW/L에 도달해 세계 앞자리를 차지하였다. 동 회사는 이에 멈추지 않고 80kW 스택도 개발 중에 있다.

세계 첫 규모화 태양연료 합성 시범 프로젝트 시운전 성공

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2020년 1월 17일, 중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소가 개발한 세계 첫 1,000t급 규모화 태양연료(Solar fuel) 합성 시범 프로젝트가 간쑤(甘肅)란저우신구(蘭州新區)친환경화공단지에서 시운전에 성공함으로써 태양에너지 등 재생가능에너지를 액체연료로 전환시키는 산업화 생산의 첫걸음을 내디디었다. 태양연료 합성은 태양에너지, 풍력에너지, 수력에너지 등 재생가능에너지를 이용하여 전기를 생산한 다음 물전기분해에 의한 수소 제조, 이산화탄소 수소화에 의한 메탄올 전환 등을 통해 액체연료를 제조하여 재생가능에너지를 액체연료에 저장하는 과정을 의미한다. 간단히 말하면 태양에너지 등 재생가능에너지, 이산화탄소 및 물을 이용하여 청정 재생가능에너지인 메탄올 등 액체연료를 생산하는 과정을 의미한다. 이는 간헐적이고 분산된 태양에너지를 재생가능에너지로 수집하여 저장하는 에너지저장 기술이다. 동 프로젝트는 태양광발전, 물전기분해에 의한 수소 제조, 이산화탄소 수소화에 의한 메탄올 합성 등 3개 기본 단계로 구성된다. 전통적인 석탄, 천연가스로 메탄올을 제조하는 방법과 달리 동 프로젝트는 이산화탄소를 탄소 자원으로 이용해 이산화탄소 배출량 감소를 달성함과 아울러 태양연료 메탄올을 친환경적으로 생산함으로써 탄소 무배출을 구현했다. 동 프로젝트는 다롄화학물리연구소 리찬(李燦) 연구팀이 개발한 전기촉매 물분해에 의한 수소 제조 기술 및 촉매를 이용한 이산화탄소 수소화 메탄올 제조 기술을 기반으로 했다. 알칼리성 물전기분해에 의한 수소 제조 기술 분야에서 리찬 연구팀은 중국 자체 지식재산권을 보유한 신형 물전기분해 수소 제조 촉매를 개발함과 아울러 쑤저우(蘇州)징리(競立)수소제조설비유한회사와 공동으로 규모화(1,000표준입방미터/시간) 물전기분해 수소 제조 설비를 개발하여 물전기분해에 의한 수소 제조 원가를 대폭 절감시켰다. 이는 현재 세계에서 규모화 알칼리성 물전기분해에 의한 수소 제조 최고 효율이다. 이산화탄소 수소화 메탄올 제조 기술 분야에서 리찬 연구팀은 자체로 개발한 고용체(Solid solution) 바이메탈 산화물 촉매를 이용하여 이산화탄소의 고선택성, 고안정성 수소화 메탄올 합성을 달성했다. 동 프로젝트는 중국 에너지 안전 문제 완화, 더 나아가 글로벌 생태문명 건설에 중대한 의미가 있다. 이는 중국 서부지역의 풍부한 태양에너지 등 재생가능에너지 최적화 이용 방법을 탐색하여 태양에너지 등 재생가능에너지를 액체연료 메탄올로 전환시키는데 특고압 전기 사용을 제외한 효과적인 방법을 제공했다. 또한 태양연료 메탄올은 수소 담체(Carrier)로서 수소에너지 저장 및 수송의 안전 문제 해결에 도움이 된다.

중국 최대 규모 조력발전장치 개발 성공

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2020년 1월 13일, 하얼빈(哈爾濱)전기(電氣)그룹 하얼빈전기기계공장유한책임회사가 담당한 해양재생에너지 자금 프로젝트 "600kW 해저식 조력발전기 전체 장치 제조"가 전문가 검수에 통과됐다. 이는 중국 최대 규모의 단일 설비용량 600kW 조력발전장치 제조에 성공했음을 의미한다. 동 프로젝트는 중국의 조력발전시스템 핵심 설비와 전체 장치 제조 기술 수준 및 생산 능력을 향상시켜 600kW 해저식 조력 발전 전체 장치의 국산화 생산을 달성하려는데 그 목적을 두고 있다. 해양 조석에너지는 태양에너지, 풍력에너지, 파랑에너지 등 재생 가능한 신에너지에 비하여 규칙성이 비교적 강하고 에너지가 안정하기에 비교적 높은 개발 가치가 있다. 하지만 에너지 분산, 저에너지 밀도, 열악한 해양환경 등 원인으로 조력발전장치의 효과적 개발은 매우 어렵다. 600kW 조력발전장치 제조 성공은 외진 섬에 대한 에너지 공급, 해수중 모니터에 대한 전력 공급 등 문제 해결 및 조석에너지 시장화 응용에 중대한 의미가 있다. 600kW 조력발전장치 개발 과정에서 발전장치의 신뢰성 및 유지보수성을 충분히 고려하여 수직갱 구조로 설계함으로써 발전장치 내부에 들어가 적시로 유지보수 할 수 있게 하여 조력발전장치의 유지보수가 어려운 문제를 해결했다. 뿐만 아니라 발전장치 밀폐, 오염방지/방부식, 동력전달 시스템 등에 선진기술을 도입함으로써 발전장치 운행 안전성 및 안정성을 향상시키는 동시에 태풍 등 열악한 환경에 대한 대응 능력을 강화시켰다. 2019년 9월 9일, 저장(浙江)저우산(舟山)자이뤄산(摘箬山) 해역에서 있은 600kW 조력발전장치의 해상시험 결과, 수력-전력 전환 효율은 37%에 달하고 시동 유속은 0.51m/s로 중국 최고 수준에서 도달했다.

페로브스카이트 재료에서 전하수송의 독특한 양자간섭 효과 규명

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난카이대학교 리웨룽(李躍龍) 연구팀은 샤먼대학교, 영국 랭커스터대학교 등의 연구팀과 공동으로 세계 최초로 페로브스카이트 재료에서 나노스케일 전하수송의 독특한 양자간섭 효과를 발견함으로써 양자효과 기반의 페로브스카이트 재료·장치 개발에 가능성을 제공하였다. 해당 성과는 "Nature Communications"에 온라인으로 게재되었다. 최근, 페로브스카이트 재료는 양호한 광전자학적 특성으로 재료과학 연구의 핫이슈가 되면서 태양전지, 발광다이오드, 광전식감지기 등 분야에 성공적으로 응용되고 있다. 페로브스카이트 재료에서 전하수송 과정은 해당 재료 성능에 영향을 미치는 핵심 부분이다. 페로브스카이트 재료에서 나노스케일 전자수송의 특이적 효과에 대한 연구·이해는 페로브스카이트 재료·장치 설계, 성능 향상에 중요한 지시적 의미가 있다. 리웨룽 연구팀은 일련의 페로브스카이트 양자점을 설계 합성한 후, 샤먼대학교 훙원징(洪文晶) 연구팀은 자체적으로 개발한 피코미터급 변위 조절 정밀도를 보유한 과학기기를 기반으로 페로브스카이트 양자점에 대한 원위치 테스트를 수행하였다. 연구팀은 금 전극이 페로브스카이트 크리스탈셀(crystal cell) 사이에서의 미끄럼 이동을 통해 단일 크리스탈셀 위 5Å 떨어진 서로 다른 연결부위 사이에서의 전하 수송을 테스트하였다. 이를 통해 동일 크리스탈셀의 서로 다른 부위에 전극을 연결시 전하 수송능력이 약 1개 수량급으로 뚜렷이 증강됨을 의외로 발견했다. 또한 랭커스터대학교 연구팀과의 협력을 통해 기존에 보고된 바 없는 상기 전기전도도 증강 현상은 전하가 나노스케일 페로브스카이트 재료에서 수송될 때 발생하는 양자간섭 효과에서 비롯됨을 규명하였다. 학제 간 융합 국제협력을 통해 획득한 해당 성과는 양자간섭 연구시스템을 페로브스카이트 재료 분야에로 확장시킴으로써 고효율 페로브스카이트 태양전지 등 광전 장치의 비밀을 밝힘과 아울러 양자효과 기반의 신형 고성능 페로브스카이트 광전 장치라는 새로운 연구 분야를 개척할 전망이다.

"전과정 비접촉식" 체온측정 및 보안검사 시스템 가동

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중전과(中电科, CETC) 제38연구소 보웨이타이허쯔(博微太赫兹, Brainware Terahertz)회사가 7일 만에 개발한 "전과정 비접촉식 체온측정 및 보안검사 통합기기"가 상하이시 공안국의 지원에 의해 상하이 지하철에서 본격 가동되었다. 신종코로나바이러스 감염증 여파로 중국의 출근길 "방역전"이 중요한 단계에 진입했다. 도시의 지하철, 여객운송 등과 같은 붐비는 공공장소는 "방역전"의 주요 통제 구역이다. "비접촉식 체온측정 및 보안검사통합 지능시스템"은 테라헤르츠파 인체 보안검사 장치를 핵심으로 적외선 체온측정 장비 및 테라헤르츠파 인체 보안장치를 결합하여 개발하였다. 해당 장치는 검사대상자가 보안 구역에 머물지 않고 정상적인 보행과정에서 체온측정과 보안검사를 완료함으로써 "전과정 비접촉"을 달성한다. 해당 보안검사 모드는 검사요원이 검사대상자에 의해 교차 감염될 위험을 크게 낮추고 아울러 통행 효율을 높인다. 기존의 300명/1시간의 보안검사 효율을 1,500명/1시간으로 높여 지하철 인파 밀집을 효과적으로 완화시킬 수 있다. 전자기파인 테라헤르츠파는 적외선과 마이크로파 사이에 있으며 미래의 세계를 바꿀 10대 기술 중 하나이다. 보웨이타이허쯔 회사는 인체에서 방출하는 테라헤르츠파를 포착하여 이미징하는 기술을 파악하여 기존의 테라헤츠파 보안장치에 대한 국외의 의존도를 낮추었다. 테라헤르츠파 보안 통로를 통과할 경우, 소지한 다양한 소지품은 인체가 방출하는 테라헤르츠파를 다양한 각도로 차단하여 음영을 형성하며 따라서 검사대상자의 의심품목 소지 여부를 판단한다. 전과정이 비접촉식이고 방사선이 없다. 기존의 보안검사는 금속을 위주로 하지만, 테라헤르츠파는 금속, 액체, 콜로이드 및 세라믹과 같은 다양한 유형의 금지품을 감지할 수 있다. 중국은 빠른 시일에 해당 설비를 여객운송, 병원 등 인파 밀집 구역의 보안검사와 체온측정에 보급하여 신종코로나바이러스 방역을 강화할 예정이다.

단일층 그래핀에 대한 정량적 인장시험 구현

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홍콩시티대(CityU HK)/칭화대 연구팀은 공동으로 정밀 대면적 그래핀 전이, 샘플 형태 제어, 스트레인 로딩(Strain loading) 기술을 개발함과 아울러 이를 기반으로 주사전자현미경 실시간 관측 하에 단일층 그래핀에 대한 정량적 인장시험을 구현하였다. 해당 결과 및 실험기술은 동종 "슈퍼소재"의 실제 역학성능기준 제정에 일조함과 아울러 해당 고성능 재료의 다양한 영역에로의 응용을 촉진할 전망이다. 해당 성과는 "Nature Communications"에 게재되었다. 기존의 대량 이론적 계산에 의하면 단일층 그래핀은 매우 높은 탄성계수와 강도를 보유하는 등 광범위한 응용잠재력이 있는 "슈퍼소재"로 여겨지고 있다. 하지만 단일층 그래핀은 얇은 한 층의 원자만 보유한 구조이기에 그에 대한 정량적 역학실험을 수행하려면 해결해야 할 어려움이 적지 않다. 실험 결과, 인장 조건에서 화학기상증착으로 제조한 고품질 단일층 그래핀의 완전 가회복 탄성변형은 5%, 파괴 변형(breaking strain)은 약 6%, 탄성계수는 이론값에 근접하는 약 1,000MPa, 인장강도는 50~60MPa에 달했다. 연구팀은 실험을 통해 단일층 그래핀이 매우 양호한 탄성변형력을 보유함을 입증함으로써 격자 변형 제어를 위해 기반을 마련하였다. 기존의 연구는 일반적으로 그래핀의 이론적 성질 및 국지적 범위에서의 이상적 한계를 제시하였을 뿐 비지지(unbraced) 대면적 단일층 그래핀에 대한 인장시험은 사실상 수행한바 없다. 연구팀은 단일층 그래핀 실험의 어려움을 극복하고 최초로 실제 응용장면에 가까운 인장 조건에서 그 역학성질이 이론적 한계에 근접함을 실험을 통해 입증하였다. 현재 그래핀 산업응용과 관련해 국제기준 제정의 목소리가 높은 상황에서 해당 성과는 그래핀의 실제 역학성능기준 형성에 일조함과 아울러 관련 고성능 재료의 보다 향상된 항공기, 고속철 경량화 부품, 보다 강인(toughness)한 유연성 터치스크린 등 제조 분야로의 응용을 촉진할 전망이다.

초평탄 그래핀 박막 개발 성공

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난징대학교 물리학부 가오리보(高力波) 연구팀은 초평탄 그래핀 박막의 제어 가능한 성장을 구현함과 아울러 동 성장방법의 내재적 메커니즘 즉 양성자 보조 성장을 발견하였다. 이는 플렉시블 전자학, 고주파 트랜지스터 등 중요 연구영역에 널리 보급될 전망이다. 해당 성과는 "양성자 보조 성장 초평탄 그래핀 박막"이란 제목으로 "Nature"에 게재되었다. 화학기상증착법(CVD)에 의한 그래핀 성장은 현재 대면적, 고품질의 단결정 결정립 또는 박막 제조에서 가장 주요한 방법이다. 하지만 그래핀과 기질재료가 강결합작용으로 인해 그래핀 성장과정에서 주름이 생길 수 있다. 그래핀과 성장 매트릭스의 열팽창률 차이에서 생기는 CVD 그래핀 주름은 그 물리성질에 영향을 끼치는 주요 걸림돌이다. 이러한 현상은 대규모 균일 박막 제조를 제한함과 아울러 2차원 재료의 더한층 개발·응용을 방해한다. 연구팀은 대량 실험에 대한 종합분석에 기반해 고비율의 뜨거운 수소(H2)가 그래핀과 성장 매트릭스 간 결합작용을 일정한 정도로 약화시킴을 발견했다. 또한 이론적 시뮬레이션을 통해 그래핀과 구리 매트릭스 간 수소가 대농도, 고온 조건에서 양자 결합을 약화시키는 역할을 함을 발견했다. 뜨거운 수소 성분에서 양성자와 전자는 그래핀의 벌집격자(honeycomb lattice) 사이를 자유로이 오갈 수 있다는데 비추어 연구팀은 그래핀을 통과한 양성자와 전자가 일정한 확률로 재차 수소로 결합할 것으로 추정했다. 양성자 밀도를 증가시키는 것은 양자 결합작용을 약화시키는 핵심 경로이다. 연구팀은 수소 플라즈마(hydrogen plasma)를 이용해 주름진 그래핀 박막을 처리했다. 또한 고온 보조 조건에서 그래핀 주름을 점차 제거했다. 다시 말해 그래핀 성장시 수소 플라즈마를 도입해 성장시킨 그래핀은 완전 주름지지 않는다. 해당 그래핀 박막의 초평탄 특성으로 인해 그래핀 표면의 기타 물질 제거 특히, 그래핀 전이시 잔류한 전이매질 PMMA 청결이 쉬운 장점을 보유한다. 이외, 초평탄 그래핀 박막의 대형, 고품질 장점을 부각시키기 위해 연구팀은 2μm, 20μm, 100μm, 500μm 선폭에서 그래핀 양자홀효과를 측정했다. 기존 그래핀 양자홀 효과 발생시 최대 선폭이 50μm인데 비해 초평탄 그래핀 박막 양자홀 효과 발생 임계치 조건은 1μm 선폭에서 측정한 고유 그래핀과 거의 일치하였다. 더 중요한 것은 다양한 선폭 측정 플랫폼에서 발생한 임계치는 거의 변함이 없었다. 이는 주름을 제거해야만 대형 그래핀의 균질화, 고품질을 최대한 구현할 수 있음을 의미한다. 양성자보조 CVD법은 그래핀의 고유성질을 최대한 유지함과 아울러 향후 기타 종류 나노재료 제조에 보편성을 지닐 전망이다.

1000 ℃ 고온 불변형 발포세라믹 개발

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중국과학원 충칭(重庆)친환경지능기술연구소 연구팀은 보온, 보습, 방음 및 내화성을 보유할 뿐만 아니라 1,000 ℃ 고온에서도 변형되지 않는 친환경 발포세라믹을 개발했다. 새로 개발한 발포세라믹은 겉모양이 화산석과 매우 비슷해 보이고 표면이 거칠지만 무게가 아주 가벼우며 입방센티미터당 중량이 0.2 그램으로 물에 뜰 수 있다. 시험 결과 500 ℃의 알코올램프 고온에서 불이 붙지 않았고 반대쪽 온도는 40 ~ 50 ℃에 불과했다. 발포세라믹의 로스팅 온도는 800 ℃에 달하고 완제품은 1000 ℃ 고온에 견딜 수 있다. 기존에 건축 분야에서 널리 사용되고 있는 단열재료는 세라믹점토, 폐기물 슬래그 등을 원자재로 하는데 가격이 저렴하고 보온 효과가 있지만 대량의 유기재료를 함유하여 내화성이 없다. 연구팀은 5년간의 연구를 통해 발포세라믹 제조 과정에 유기-무기 발포 공법 및 공정을 추가하여 경량, 방습, 방수 및 보온 성능을 보유할 뿐만 아니라 고온 소성을 통해 내열성도 보유하게 함으로써 1,000 ℃ 고온 환경에서도 불연성 및 비변형성을 보유한 새로운 발포세라믹을 개발했다. 해당 발포세라믹은 기존 발포세라믹 고온변형 온도의 세계 기록을 갱신하였으며 발포세라믹의 안전성을 1단계 향상시켰다. 아울러, 산업화 달성을 위한 기술 공략을 통해 로스팅 온도를 초기 1,300 ℃에서 800 ℃로 낮춤으로써 고온 로스팅 과정에서의 공기 중 질소산화 과정을 제거하였을 뿐만 아니라 생산 과정에서 생성되는 질소산화물로 인한 산성비(acid rain)의 환경오염 문제를 해결하였고 소성 비용도 1/3 감소하여 해당 제품의 해외 의존도를 낮추었다. 발포세라믹의 구성성분을 조절하여 화력발전소 탈황탑에서 생성되는 대량의 희황산, 냉열 변화가 심한 온도 등 열악한 환경에 해당 세라믹을 적용할 수 있다. 또한, 초경량 밀도로 인해 장기간 수면에 부유할 수 있어 구명장비 또는 해상 양식과 재배 등 분야에 응용할 수 있다.

신형 고활성 고안정성 나노촉매 합성

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중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소 황자후이(黃家輝) 연구팀과 차오보타오(喬波濤) 연구팀은 옌산(燕山)대학교 쑨커쥐(孫科舉) 연구팀과 공동으로 고활성 및 고안전성을 동시에 구비한 금나노 촉매 합성의 새 전략을 개발해 신형 고안정성/고활성 금나노 촉매 제조에 새 아이디어를 제공했다. 해당 성과는 "Nature Communications"에 게재됐다. 금나노 촉매는 금나노를 촉매 활성 성분으로 하는 촉매로서 그 촉매반응 활성은 금입자의 크기와 밀접히 연관된다. 금입자 크기가 5nm 보다 작을 경우 금나노 촉매는 뛰어난 촉매반응 활성을 나타낸다. 금나노 촉매는 산업화 응용 전망이 밝은 촉매로서 일산화탄소 산화, 프로필렌 에폭시화, 알코올/알데히드 선택적 산화 등 수많은 반응에서 독특한 촉매반응 성능을 나타내고 있다. 하지만 금나노 입자는 고온 배소(Roasting) 또는 촉매반응, 심지어 저온 촉매반응 과정에서 쉽게 소결 또는 응집되기에 안전성이 떨어져 금나노 촉매의 산업에서 응용을 크게 제한한다. 따라서 고안정성 금나노 촉매 개발은 관련 분야의 주요 연구 과제로 되고 있다. 금속 담체의 강한 상호작용, 산화물 피복, 분자체(Molecular sieve) 세공 제한 등 다양한 방법을 통해 금나노 촉매의 안정성을 대폭 개선시킬 수 있지만 해당 방법은 일반적으로 부분적 활성부위 손실을 초래한다. 따라서 획득한 나노촉매의 촉매반응 활성이 떨어진다. 연구팀은 염화금산(Chloroauric Acid)을 금 전구체로 하고 테트라에틸오르토실리케이트(Tetraethyl orthosilicate)를 규소 전구체로 했다. 그리고 염기성 조건에서 공침법으로 금과 규소 전구체를 산화티타늄 표면에 1단계 침적시켰으며 고온 배소를 통해 산화규소로 수식된 금나노 촉매를 획득했다. 동 방법은 제조에 있어서 금과 산화규소의 원자급 혼합을 달성했으며 배소를 통해 산화규소 박막으로 피복된 금나노 촉매를 형성했다. 해당 촉매는 매우 높은 항소결(Anti-sintering) 성능을 보유함과 동시에 매우 높은 반응 활성을 보유하고 있기에 0℃에서 일산화탄소를 완전히 산화시킬 수 있다.

블레이자의 브라이티닝 및 블루닝 현상 이중인증

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윈난(云南)성 천문대 연구팀은 중국 최대 범용 광학망원경인 리장(丽江)천문대 2.4미터 망원경을 이용하여 블레이자 준동시성 스펙트럼 변화와 측광 광변 관측을 통해 블레이자 광변 및 색상 변화와 관련된 연구를 수행했다. 스펙트럼과 측광 관측에서 모두 밝고 푸르게 변화하는 현상을 발견했고 색상과 밝기, 색상 변화율과 밝기 변화율 사이에는 강한 상관관계가 존재하며 색상 변화가 밝기 변화보다 앞섰다. 해당 연구 결과는 "The Astrophysical Journal, ApJ"에 게재되었다. 블레이자는 활동은하핵의 한 종류로 상대론적 제트와 시선각이 비교적 작다. 밝고 푸르게 변하는 것은 블레이자의 특수한 광변 현상으로 색등급도에서 일종의 상관성을 나타내고 제트 충격파 모델의 관측 증거로 간주된다. 그러나 기존의 관측 연구에서는 블레이자의 이러한 상관관계를 발견하지 못했거나 미약한 상관관계만 발견했다. 연구팀은 2018년 11월부터 2019년 3월 사이에 리장천문대 2.4미터 망원경을 이용하여 성공적으로 TeV 감마선 블레이자 S5 0716+714에 대한 45차의 분광 관측과 44차의 다주파대 측광 관측을 진행했다. 연구 결과, 해당 블레이자의 준동시성 스펙트럼과 측광 광변은 모두 밝고 푸르게 변하는 추세를 나타냈으며 밝기 변화율-색상 변화율 차트에서 밝고 푸르게 변하는 추세가 더 뚜렷했다. 스펙트럼 지수 변화는 플럭스 밀도 변화보다 앞서고 색상 지수 변화는 별의 등급 변화보다 앞섰다. 밝고 푸르게 변하는 현상은 관측 주파수 범위의 싱크트론 방사선피크 주파수에 대한 상대적 위치에 의존할 가능성이 있다. 예를 들면, 관측 주파수 범위는 싱크로트론 피크 주파수의 좌측에 있다. 또한, 데이터 전처리, 스펙트럼, 측광 플럭스 보정 및 스펙트럼 피팅 등 데이터 분석을 통해 해당 물리량의 시계열을 측정했다. 측정 결과, 스펙트럼 지수 변화율, 스펙트럼 플럭스 밀도 변화율, 플럭스 밀도 상대적 변화율, 색상 지수 변화율 및 별의 등급 변화율 사이에 강한 상관관계가 존재했다. 이러한 새 발견은 블레이자 중의 방사선 메커니즘과 광변화 메커니즘에 대한 심층 파악에 도움을 준다.

물 결빙의 임계 빙정핵 실험 입증

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중국과학원 화학연구소와 중국과기대학교 공동 연구팀은 최초로 물이 결빙하는 과정에 임계 빙정핵이 존재한다는 것을 실험적으로 증명하였고 임계 빙정핵의 존재를 입증함과 아울러 임계 빙핵정의 크기와 과냉각 온도의 관계를 제시했다. 해당 결론은 고전 핵생성 이론 예측과 고도로 일치했다. 해당 성과는 "Nature"에 게재되었다. 열역학에 따르면, 물 분자는 용액에서 지속적인 열운동을 진행하며 온도가 빙점보다 낮을 경우, 질서있게 배열되는 경향이 있다. 하지만 "물"과 "빙정핵" 사이의 전환에 대해서는 밝혀진 바가 없다. 임계 빙정핵은 오랜 시간을 기다려야 발생하는 우연성, 수명의 나노초급 순간성 및 나노급 사이즈의 미시성을 보유하기에 기존의 미시적 관측 기술로 포착이 어렵다. 연구팀은 독창적으로 산화그래핀 나노시트 등 일련의 고정 크기의 나노입자를 이용하여 임계 빙정핵을 탐지하고 실험과 이론을 결합한 계산을 통해 간결하고 뚜렷한 임계 빙정핵 사이즈를 획득했다. 해당 연구 결과는 이론적 계산 결과와 고도로 일치했고 나노입자 종류, 재질 등 요소와 무관하게 보편성을 보유하여 얼음 임계핵의 존재를 증명하였을 뿐만 아니라 기타 상변화와 핵생성 연구에도 적용 가능하다. 나노입자 사이즈와 빙정핵 형성 능력을 연구한 결과, 나노입자의 사이즈가 특수 값보다 클 경우, 입계 빙정핵의 형성을 효과적으로 추진하며 사이즈가 작은 나노입자는 빙정핵 형성을 거의 촉진하지 못한다. 해당 연구 성과는 기존의 "고전 핵생성 이론"이 원자 사이즈의 임계 빙정핵 특징을 효과적으로 해명하지 못한 단점을 보완하고 물 결정 메커니즘, 상변화 현상 및 통계물리학의 거시적 및 미시적 관계에 대한 이론적 이해를 심화했다. 아울러, 세포와 조직의 저온 동결보존, 백신의 생산과 운송 과정에서의 활성 유지 및 항공기 등 교통 도구의 결빙방지 코팅 등에서 중요한 응용 가치가 있다. 해당 연구는 실험을 통해 임계 빙정핵의 존재를 직접적으로 입증했고 임계 빙정핵을 형성하는데 필요한 물 분자 수량을 밝혔다. 또한, 나노입자 사이즈와 핵생성 온도의 상호 관계를 밝히고 임계 빙정핵을 탐측하는 보편적인 방법을 발견했다. 이는 빙정핵 분야 연구의 중요한 이정표이다.

세계 최초로 단일 카이랄성 탄소나노튜브 긴 공액사슬 단편 합성

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중국과학기술대학교 두핑우(杜平武) 연구팀은 정밀 분자설계를 통해 세계 최초로 단일 카이랄지수(chiral index) 단일벽 탄소나노튜브의 긴 공액사슬 단편을 합성하였다. 해당 성과는 표지논문 형식으로 "JACS"에 게재되었다. 탄소나노튜브는 sp2 결합 원자만을 함유한 완전 탄소 기반 관상 공액중합체(conjugated polymer)로 볼 수 있다. 하지만 특정 지름의 탄소나노튜브 단편 긴 공액중합체 관련 연구는 보고된바 없다. 단일 지름/카이랄성을 보유한 순수 탄소나노튜브 재료는 나노과학기술 및 전자학 분야에서 중요한 응용 잠재력을 보유하지만 해당 탄소나노튜브 합성은 합성화학 및 재료화학 영역에서 해결해야 할 과제로 남아있다. 촉매 표면 매개 성장 방법은 탄소나노튜브 제조 분야에서 거대한 잠재력을 보여주고 있지만 나노튜브 순도 문제를 극복해야 하는 어려움이 존재한다. 연구팀은 탄소나노튜브 새 구조 합성 및 물리성질 분야에서 수행한 일련의 선행연구에 기초하여 이중 기능화 구조를 만곡 공액소분자 탄소고리에 교묘하게 인입한 후 니켈 촉매 커플링반응을 통해 해당 단편의 1차원 방향에서의 신장을 구현함으로써 특정 지름 단일벽 탄소나노튜브 긴 공액사슬 단편을 구축했다. 또한 겔투과크로마토그래피, 핵자기, 적외선 및 라만분광 등 특성화 방법을 통해 탄소나노튜브 긴 공액중합체의 성공적 합성을 입증하였다. 광각 방사선 회절 테스트를 통해 중합체 고체박막은 뚜렷한 회절고리를 보유하며 일정한 결정화도(crystallinity)를 나타냄을 발견했다. 단량체와 공액중합체의 흡수, 형광 및 형광감쇠곡선 비교를 통해 공액 수준의 증가는 중합체의 광물리 성질을 대폭 향상시킴을 발견했다. 해당 긴 공액사슬 단편은 구조 분야에서 팔걸이의자형 단일벽 탄소나노튜브의 공액 고분자화합물에 접근한 세계 최초의 사례이다. 해당 연구는 특정 지름 단일벽 탄소나노튜브의 신형 긴 공액구조 합성을 달성해 초고순도 단일벽 탄소나노튜브 제조에 상응하는 공액 고분자 템플릿을 제공함과 아울러 용액법을 통한 단일 카이랄성 탄소나노튜브 제조 및 성질 연구에 중요한 참고정보를 제공했다.