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우한 신종 코로나바이러스에 대한 연구 결과

2020년 1월 21일, 중국과학원 상하이파스퇴르연구소 하오페이(郝沛)/군사의학연구원 국가비상예방통제약물공정기술연구센터 중우(鍾武)/중국과학원 분자식물엑설런스센터 합성생물학중점실험실 리쉬안(李軒) 등 연구팀의 연구 성과가 "Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreak and modeling of its spike protein for risk of human transmission"란 제목으로 "SCIENCE CHINA Life Sciences"에 온라인으로 게재되었다. 해당 논문은 우한(武漢) 폐렴 발생을 야기시킨 신종 코로나바이러스의 진화 근원 및 2002년 광둥 "비전형성폐렴(사스)"의 SARS 코로나바이러스와 "중동호흡기증후군"의 MERS 코로나바이러스와의 유전적 진화관계를 서술하였다. 또한 우한 신종 코로나바이러스 spike-단백질 구조에 대한 시뮬레이션 연산을 통해 동 단백질이 사람의 ACE2 단백질과 작용하여 인간 감염을 매개하는 분자작용경로를 규명하였다. 해당 성과는 우한 신종 코로나바이러스의 잠재적인 사람 간 전염성을 평가함으로써 전염원 및 전파경로의 빠른 시간 내 확인, 고효율적 예방통제 전략 마련에 과학적인 이론근거를 제공하였다. 2019년 12월부터 후베이성 우한시에서 집중적으로 발생하기 시작한 원인불명의 폐렴에 대한 역학조사 결과, 해당 폐렴 병례는 우한시 "화난(華南)해산물시장"과 연관이 있는 것으로 나타났다. 다학제 통합진료 및 실험적 검사를 통해 우한 폐렴은 바이러스성 폐렴으로 확인되었고 2020년 1월 8일에 "우한폐렴" 병원균이 일종의 신종 코로나바이러스임을 기본적으로 확정지었다. 우한폐렴은 2002년 광둥에서 발생한 사스와 유사한 점이 많다. 양자 모두 겨울철에 발생하였고, 초기 병례는 동물교역시장에서 사람과 살아있는 동물과의 접촉에서 비롯되었으며, 알려지지 않은 코로나바이러스 병원균에 의해 유발되었다는 점이다. 2020년 1월 20일 18시 기준으로 중국 경내에서 누계 보고된 신종 코로나바이러스 감염 폐렴 병례는 224건, 그 중 확진병례는 217건(우한시 198건, 베이징시 5건, 광둥성 14건)이고 의심병례는 7건(쓰촨성 2건, 윈난성 1건, 상하이시 2건, 광시좡족자치구 1건, 산둥성 1건)이다. 중국 국외에서 보고된 병례에는 일본 1건, 태국 2건, 한국 1건이 있다. 감염환자 중 의료진 14명이 포함되는 등 해당 신종 코로나바이러스는 사람 간 전염 및 확산 추세를 보이고 있다. 2020년 1월 10일 우한 신종 코로나바이러스의 첫 번째 게놈서열 데이터가 발표되었고 그 후로 환자 몸에서 분리한 일련의 신종 코로나바이러스 게놈서열이 잇따라 발표되었다. 상기 게놈 데이터는 우한 신종 코로나바이러스의 진화 근원 및 발병 병리메커니즘 연구·분석에 중요한 자료를 제공하였다. 연구팀은 우한 신종 코로나바이러스와 SARS/MERS 코로나바이러스와의 관계를 밝히기 위해 상기 3종 코로나바이러스 게놈을 비교하였다. 그 결과 우한 신종 코로나바이러스는 SARS/MERS와 각각 평균 ~70%, ~40% 서열 유사성을 지님을 발견하였다. 그중, 다양한 코로나바이러스가 숙주세포와 작용하는 핵심 spike유전자(S-단백질 인코딩)는 더욱 큰 차이성을 나타냈다. 우한 신종 코로나바이러스의 진화 근원 및 가능한 자연계 숙주를 밝히기 위해 연구팀은 우한 신종 코로나바이러스와 기존에 수집한 대량 코로나바이러스 데이터에 대한 유전적 진화분석을 통해 우한 신종 코로나바이러스는 Beta코로나바이러스속(Betacoronavirus)에 속함을 발견했다. Betacoronavirus는 단백질로 둘러싸인 단일사슬 플러스가닥(plus strand) RNA바이러스로서 사람을 포함한 고등동물에 기생하며 감염시킨다. 계통수에서의 위치를 보면 SARS 바이러스 및 유사SARS(SARS-like) 바이러스 분류군과 인접해 있지만 결코 SARS/유사SARS 바이러스 분류군에 속하지 않는다. 흥미로운 것은 그들 진화에서 공동의 외군(outgroup)은 과일박쥐(fruit bat)에 기생하는 HKU9-1코로나바이러스라는 점이다. 따라서 우한 코로나바이러스와 SARS/유사SARS 코로나바이러스 공동의 조상은 HKU9-1와 유사한 바이러스이다. 우한 코로나바이러스의 진화 이웃 및 외군 모두 다양한 종류의 박쥐에서 발견된데 비추어 우한 코로나바이러스의 자연 숙주 또한 박쥐일 것으로 추정된다. 아마도 우한 코로나바이러스도 2002년에 사스를 유발한 코로나바이러스와 마찬가지로 박쥐에서 사람에 이르는 전염과정 가운데 알려지지 않은 중간숙주 매개체가 있을 가능성이 크다. 우한 신종 코로나바이러스와 SARS/MERS 바이러스와의 유전적 거리가 매우 먼 점을 감안해 연구팀은 우한 신종 코로나바이러스의 사람 감염 메커니즘 및 경로를 분석하였다. SARS/MERS 바이러스의 S-단백질은 각각 사람의 ACE2, DPP4 단백질과의 상호결합을 통해 사람의 호흡기상피세포를 감염시킨다. 연구팀은 우한 코로나바이러스와 SARS/MERS 바이러스 S-단백질의 숙주 수용체 상호작용 영역(RBD 영역) 비교를 통해 RBD영역에서 우한 코로나바이러스와 SARS 바이러스가 비교적 유사함을 발견하였다. 그러나 MERS 바이러스와의 차이가 큰 점에 미루어 S-단백질과 DPP4 상호작용적 사람 감염의 가능성을 배제하였다. 하지만 우한 코로나바이러스 S-단백질이 사람 ACE2와의 상호작용도 큰 어려움이 존재한다(이미 입증된 SARS 바이러스 S-단백질과 ACE2와 상호작용하는 5개 핵심 아미노산 가운데 4개가 우한 코로나바이러스에서 변화가 발생했다). 연구팀은 상기 문제를 해명하기 위해 분자구조 시뮬레이션 연산방법을 사용해 우한 코로나바이러스 S-단백질과 사람 ACE2 단백질 구조 맞물림 연구를 수행하여 놀라운 결과를 얻었다. 비록 우한 코로나바이러스 S-단백질 중 ACE2 단백질과 결합되는 5개 핵심 아미노산 가운데 4개에 변화가 발생하였지만 변화된 아미노산은 오히려 전체적으로 SARS 바이러스 S-단백질과 ACE2 단백질이 상호작용하는 오리지널 구조형태를 매우 완벽하게 유지하고 있었다. 우한 신종 코로나바이러스의 새 구조와 ACE2 단백질의 상호작용력이 소수 수소결합의 손실로 다소 저하(SARS 바이러스 S-단백질과 ACE2 상호작용에 비해 저하)되었으나 결합 자유에너지(binding free energy)는 -50.6 kcal/mol로 여전히 매우 높은 수준에 도달하였다. 동 결과는 우한 코로나바이러스가 S-단백질과 사람 ACE2와의 상호작용 분자 메커니즘을 통해 사람의 호흡기상피세포를 감염시킴을 입증한다. 해당 연구 성과는 우한 코로나바이러스가 사람에 매우 강한 감염력을 보유함을 예측함으로써 과학적인 예방통제, 예방통제 전략 구축, 검사/중재 기술수단 개발 등을 위해 과학적 이론기반을 마련하였다.

상업용 밀리미터파 위상배열 칩 개발

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2020년 1월 19일, 네트워크통신·안전 쯔진산(紫金山)실험실은 중국의 독자적 통제가 가능한 초저원가 밀리미터파 위상배열 칩을 발표했다. 해당 칩은 빠른 속도, 광범위한 커버리지로 밀리미터파 통신기술의 상업화 "걸림돌"을 해결했다. 전세계 모든 지역을 커버할 수 있는 광대역 통신 네트워크를 구축하고 신호 사각지대를 없애려면 광대역 위성 통신 및 5G 밀리미터파 통신의 상업화를 달성해야 한다. 밀리미터파 통신 스펙트럼은 자원이 풍부하다. 5G 시대에 밀리미터파 주파수대를 선택하여 사용할 경우 1차선 도로를 10차선 도로로 업그레이드한 것과도 같이 그 속도는 대폭 향상된다. 애플사(Apple Inc.)는 밀리미터파를 지원할 수 있는 5G 버전 휴대폰을 개발하고 있다. 광대역 위성 통신 기술을 통해 신호를 전세계 모든 지역에 커버리지할 수 있다. 미국 스페이스X(SpaceX)는 5년 내에 4.2만 개 위성을 발사할 계획이다. 하지만 광대역 위성 통신 및 5G 밀리미터파 통신 핵심 소자인 밀리미터파 위상배열 칩은 가격이 매우 비싸다. 256 채널의 전형적인 위상배열 안테나 가격은 100만 위안(한화로 약 1.7억)에 달한다. 쯔진산실험실 연구팀은 실리콘 공법을 이용하여 대규모 위상배열 안테나 제품의 원가를 상업화가 가능한 수준으로 절감시켰다. 뿐만 아니라 저원가 CMOS 공법에 의한 밀리미터파 칩, 대규모 안테나 어레이 설계를 심층적으로 연구하는 한편 대규모 안테나 어레이 회로판 제조 및 집적 공법 등 핵심 기술을 파악함으로써 CMOS 밀리미터파 통신 칩의 대규모 보급 응용 어려움을 해결했다.

세계 최초 모바일 위성 지상국과 "모쯔호" 도킹 성공

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2019년 12월 30일 23시 31분부터 23시 39분 사이에 지난(济南)양자기술연구소 지붕에 위치한 모바일 양자위성 지상국에서 방출한 한 가닥의 적색 빛이 하늘에서 지나가는 한 점의 녹색 빛을 찾아서 적색 빛과 녹색 빛의 도킹을 달성했다. 해당 "녹색 빛"은 2016년에 우주로 발사된 "모쯔호(墨子号)" 양자위성이 방출한 빛이다. "모쯔호"는 모바일 양자위성 지상국과의 몇 분간의 도킹 사이에 엄청난 정보를 암호화 전송하였다. 세계 최초 모바일 양자위성 지상국과 "모쯔호"의 첫 번째 도킹은 약 8분간 지속되었다. 도킹 후, "모쯔호"는 안전키를 배분하고 지상국은 접수 후 안전키 테스트를 수행한다. 지난양자기술연구원은 2019년부터 소형화 양자통신위성 지상국 시스템 프로젝트를 가동하여 12월 24일에 완성하였으며 "모쯔호" 양자과학실험위성과의 도킹 테스트에 성공했다. 이는 중국 최초 소형화 모바일 양자위성 지상국의 구축 완료를 의미한다. 중국과학기술대학교, 커다궈둔(科大国盾)양자기술유한회사, 지난양자기술연구원에서 공동 구축한 해당 지상국의 크기는 페인트 통 정도이고 무게가 80킬로그램이며 28센치미터 망원경 설비와 함께 모바일 양자위성 지상국을 구성한다. "모쯔호" 발사 당시 사용한 지상국은 무게가 십여 톤에 달했다. 연구팀은 수천 번의 실험을 거쳐 지상국 소형화에 성공함으로써 양자기술 제품화의 핵심기술을 파악했다. 제조원가가 대폭 절감되고 차량에 싣고 이동하여 언제 어디서든 사용할 수 있다. 향후, 산업화 분야에서 광범위하게 보급될 전망이다. 현재, 지난양자통신시험 네트워크는 성공적으로 "징후간선(京沪干线, 베이징-상하이인터넷망)에 접속하여 중국 광역 양자통신 네트워크의 중요 구성 부분으로 되었다.

20광자 60×60 모드 간섭회로 보손 샘플링 양자컴퓨팅 구현

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중국과학기술대학교 판젠웨이(潘建偉)/루차오양(陸朝陽) 연구팀은 국외 연구팀과 공동으로 세계 최초로 20개 광자 입력 60×60 모드 간섭회로의 보손 샘플링(Bose sampling) 양자컴퓨팅을 구현했는데 그 출력 복잡도는 48개 큐비트의 힐베르트 상태 공간(Hilbert state space)에 해당하고 차원수는 370조 개에 달한다. 해당 연구는 광자수, 모드수, 연산 복잡도, 상태 공간 등 4개 핵심지표에서 모두 기존의 세계기록을 경신하였다. 그 중 상태 공간 차원수는 동업계가 기존에 달성한 광양자 컴퓨팅 실험에 비해 100억 배 향상되었다. 해당 연구는 "Physical Review Letters"에 게재되었다. 양자컴퓨터 개발은 첨단과학 분야의 가장 큰 도전이 되었다. 양자컴퓨팅 연구의 1단계 목표는 "양자패권"이라고도 부르는 "양자컴퓨팅의 우월성" 구현이다. 즉, 개발해낸 양자컴퓨팅 프로토타입이 특정 임무 해결에서 클래식 슈퍼컴퓨터를 초월해야 한다. 초전도 큐비트를 이용한 랜덤 회로 샘플링 및 광자를 이용한 보손 샘플링 구현은 양자컴퓨팅 우월성 시연에 있어 학계가 인정하는 두 가지 경로이다. 연구팀은 자체로 개발한 국제 최고 효율 최고 품질의 단일 광자원, 최대 규모 최고 투과율의 멀티채널 광학간섭계를 사용해 20개 광자 입력 60×60 모드 간섭회로의 보손 샘플링 실험을 성공적으로 구현하였다. 동업계 유사 실험에 비해 해당 실험에서 성공적으로 통제한 단일 광자수는 5배, 모드수는 5배 증가했고 샘플링 속도는 6만 배, 출력 상태 공간 차원수는 100억 배 향상되었다. 그 중 출력 상태 공간 차원수는 다광자 높은 모드 특성에 힘입어 370조에 도달했는데 이는 48개 큐비트로 확장시킨 힐베르트 공간에 해당한다. 해당 실험은 최초로 보손 샘플링을 새로운 영역으로 넓힘과 아울러 클래식 컴퓨터로 해당 보손 샘플링 양자컴퓨팅 프로토타입을 직접적이고도 전반적으로 검증할 수 없을 수준에 도달시키는 등 양자컴퓨팅 우월성 시연의 과학목표를 향해 중요한 한 발짝을 내디뎠다.

중국 첫 양자 프로그램 설계 플랫폼 개발

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2019년 12월 20일, 중국과학원 소프트웨어연구소(ISCAS)는 베이징에서 중국 첫 비교적 완전한 양자 프로그램 설계 플랫폼(isQ)을 발표함과 아울러 중국 양자 하드웨어 연구팀과 협력하여 빠른 시일 내에 해당 플랫폼을 중국이 자체 개발한 양자컴퓨터에 설치할 계획이라고 밝혔다. isQ 플랫폼은 양자 프로그램 설계, 컴파일, 시뮬레이션, 분석 및 검증 등 도구로 구성됐으며 온라인 기능에는 주로 컴파일러, 시뮬레이터, 모델 검증 도구, 정리 증명 장치 등 4개 부분이 포함된다. 그 중에서 isQ 플랫폼은 ISCAS 양자 소프트웨어 연구팀이 양자 프로그램 설계 모델, 양자 프로그램 논리, 양자 프로그램 분석 알고리즘 등 분야에서 거둔 체계적 이론 성과를 기반으로 했으며 컴파일러와 시뮬레이터는 ISCAS 양자 소프트웨어 연구팀이 칭화(清華)대학 컴퓨터과학·기술학부와 공동으로 개발했다. 양자컴퓨터 소프트웨어의 신속한 발전에 따라 양자 소프트웨어 개발은 관심사로 떠오르고 있다. 툴체인(Toolchain)이 기존의 소프트웨어 개발에서 일으키는 역할과 같이 고가용성(High Availability)을 보유하고 기능이 광범위할 뿐만 아니라 강대하며 프로그램 설계, 테스트, 분석, 검증 등을 통합한 도구는 양자 소프트웨어 개발에 매우 중요하다. 하지만 양자 소프트웨어와 전통적인 소프트웨어는 본질적으로 다르기에 양자 소프트웨어 도구는 더욱 복잡하고 개발하기 어렵다. 양자 프로그램 설계에서 isQ 플랫폼에 포함된 컴파일러는 먼저 고급 언어로 프로그래밍된 양자 프로그램을 명령 집합 언어로 전환시킨 다음 후속적 처리 도구에서 심층적으로 처리한다. 후속적 처리 도구의 시뮬레이터는 고전컴퓨터에서 양자 프로그램을 모의 운영하여 운영 결과를 확인할 수 있기에 현단계 양자 프로그램 설계, 테스트에 매우 중요하다. 모델 검증 도구는 양자 시스템의 다양한 성질을 검사하는데 이용된다. 정리 증명 장치로 연구팀이 제안한 양자홀 로직을 구현할 수 있으며 또한 현재 세계에서 유일한 양자 프로그램의 정확 여부를 검증할 수 있는 플랫폼으로서 고전컴퓨터에서 컴퓨팅 시간과 메모리 공간의 제한을 극복할 수 있기에 대규모 양자 프로그램 설계에 중요한 도움을 제공할 수 있다.

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.

"지린 1호" 광대역 01 위성 발사

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2020년 1월 15일 10시 53분, 중국 타이위안(太原)위성발사센터에서 창정 2호(長征二號) 정(丁) 운반로켓으로 서브미터급 초광대역 상업용 광학원격탐사위성 "지린 1호(吉林一號)" 광대역 01 위성[일명 "훙치 1호(紅旗一號) - H9"]을 성공적으로 발사했다. "지린 1호" 광대역 01 위성은 창광(長光)위성기술유한회사가 자체로 개발한 신형 고성능 광학원격탐사위성이다. "지린 1호" 위성의 성숙된 싱글머신 및 기술기반을 계승한 해당 위성은 최초로 대구경/광시야/장초점 3 - 반사식 광학시스템 설계를 채택함으로써 고해상도, 초광대역, 고속 메모리, 고속 데이터 전송 등 특성을 보유했다. 해당 위성은 궤도진입 후 기존에 발사된 15개 "지린 1호" 위성과 네트워크를 형성해 정부 및 업계 사용자에게 더욱 풍부한 원격탐사 데이터 및 제품 서비스를 제공할 전망이다. 이번에 NewSat 7/8 위성 및 톈치(天啟) 별자리 05 위성의 3개 소형 위성도 탑재하여 발사했다. NewSat 7/8 소형 위성은 아르헨티나 Satellogic 회사에서 개발했고 톈치 별자리 05 위성은 베이징궈뎬가오커(國電高科)과학기술유한회사가 상하이 ASES 항천과기유한회사에 위탁하여 개발했다. 이번 발사에 사용한 창정 2호 정 운반로켓은 중국항천과기그룹유한회사 산하 상하이항천기술연구원이 개발했으며 이번 발사는 창정 시리즈 운반로켓의 325차 우주비행이다.

효과적인 중수소 분리에 의해 제어 가능한 핵융합에 잠재적 연료 제공

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중국 시안(西安)교통리버풀(Liverpool)대학교는 영국 리버풀대학교와 공동으로 효과적으로 고순도 중수소를 분리할 수 있는 재료를 개발했다. 해당 성과는 "Science"에 게재됐다. 제어 가능한 핵융합은 청정에너지이다. 하지만 안정적이고 제어 가능한 핵융합 연료 개발은 어려움으로 되고 있다. 수소 동위원소인 중수소는 잠재적인 제어 가능한 핵융합 연료이지만 자연계에서의 농도가 매우 낮다. 일반적으로 고순도/고농도 중수소는 "수소-중수소" 혼합기체 분리를 통해 얻는다. 그러나 해당 분리 기술은 에너지 소모가 크고 효율이 낮으며 가격이 비싼 등 원인으로 달성하기 어렵다. 영국 리버풀대학교 Andrew Cooper 연구팀(중국-영국 공동 연구팀)은 "동적 양자 스크리닝"이라 불리는 과정을 통해 중수소를 혼합기체에서 효과적으로 분리할 수 있는 신소재를 설계했다. 딩리펑(丁理峰) 및 박사연구생 양쓰위안(楊思源)은 분리 과정의 이론적 모델링에 중요한 기여를 했다. 일반 실험화학에 요구되는 시약과는 달리 계산화학은 주로 고성능 슈퍼컴퓨터를 이용하며 컴퓨터 모델을 통해 분자 규모에서 "수소-중수소" 분리 과정을 연구하여 해당 재료가 우수한 성능을 보유할 수 있는 원인을 찾아낸다. 해당 신소재는 복합 다공성 유기 바구니 화합물 재료로서 혼합기체에서 중수소 분자를 선택함과 아울러 대량으로 흡착할 수 있기에 중수소를 분리하는 경제적이고 고효율적인 방법이다. 분자 모형은 후속적인 실험 방향을 확정하고 더욱 양호한 분리 재료를 개발하는데 도움이 된다. 중수소는 핵융합 연료 외에 비방사성 동위원소 추적, 중성자 산란 기술 및 제약 등 분야를 포함한 기타 과학 연구에 광범위하게 응용된다.

우한 신종 코로나바이러스에 대한 연구 결과

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2020년 1월 21일, 중국과학원 상하이파스퇴르연구소 하오페이(郝沛)/군사의학연구원 국가비상예방통제약물공정기술연구센터 중우(鍾武)/중국과학원 분자식물엑설런스센터 합성생물학중점실험실 리쉬안(李軒) 등 연구팀의 연구 성과가 "Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreak and modeling of its spike protein for risk of human transmission"란 제목으로 "SCIENCE CHINA Life Sciences"에 온라인으로 게재되었다. 해당 논문은 우한(武漢) 폐렴 발생을 야기시킨 신종 코로나바이러스의 진화 근원 및 2002년 광둥 "비전형성폐렴(사스)"의 SARS 코로나바이러스와 "중동호흡기증후군"의 MERS 코로나바이러스와의 유전적 진화관계를 서술하였다. 또한 우한 신종 코로나바이러스 spike-단백질 구조에 대한 시뮬레이션 연산을 통해 동 단백질이 사람의 ACE2 단백질과 작용하여 인간 감염을 매개하는 분자작용경로를 규명하였다. 해당 성과는 우한 신종 코로나바이러스의 잠재적인 사람 간 전염성을 평가함으로써 전염원 및 전파경로의 빠른 시간 내 확인, 고효율적 예방통제 전략 마련에 과학적인 이론근거를 제공하였다. 2019년 12월부터 후베이성 우한시에서 집중적으로 발생하기 시작한 원인불명의 폐렴에 대한 역학조사 결과, 해당 폐렴 병례는 우한시 "화난(華南)해산물시장"과 연관이 있는 것으로 나타났다. 다학제 통합진료 및 실험적 검사를 통해 우한 폐렴은 바이러스성 폐렴으로 확인되었고 2020년 1월 8일에 "우한폐렴" 병원균이 일종의 신종 코로나바이러스임을 기본적으로 확정지었다. 우한폐렴은 2002년 광둥에서 발생한 사스와 유사한 점이 많다. 양자 모두 겨울철에 발생하였고, 초기 병례는 동물교역시장에서 사람과 살아있는 동물과의 접촉에서 비롯되었으며, 알려지지 않은 코로나바이러스 병원균에 의해 유발되었다는 점이다. 2020년 1월 20일 18시 기준으로 중국 경내에서 누계 보고된 신종 코로나바이러스 감염 폐렴 병례는 224건, 그 중 확진병례는 217건(우한시 198건, 베이징시 5건, 광둥성 14건)이고 의심병례는 7건(쓰촨성 2건, 윈난성 1건, 상하이시 2건, 광시좡족자치구 1건, 산둥성 1건)이다. 중국 국외에서 보고된 병례에는 일본 1건, 태국 2건, 한국 1건이 있다. 감염환자 중 의료진 14명이 포함되는 등 해당 신종 코로나바이러스는 사람 간 전염 및 확산 추세를 보이고 있다. 2020년 1월 10일 우한 신종 코로나바이러스의 첫 번째 게놈서열 데이터가 발표되었고 그 후로 환자 몸에서 분리한 일련의 신종 코로나바이러스 게놈서열이 잇따라 발표되었다. 상기 게놈 데이터는 우한 신종 코로나바이러스의 진화 근원 및 발병 병리메커니즘 연구·분석에 중요한 자료를 제공하였다. 연구팀은 우한 신종 코로나바이러스와 SARS/MERS 코로나바이러스와의 관계를 밝히기 위해 상기 3종 코로나바이러스 게놈을 비교하였다. 그 결과 우한 신종 코로나바이러스는 SARS/MERS와 각각 평균 ~70%, ~40% 서열 유사성을 지님을 발견하였다. 그중, 다양한 코로나바이러스가 숙주세포와 작용하는 핵심 spike유전자(S-단백질 인코딩)는 더욱 큰 차이성을 나타냈다. 우한 신종 코로나바이러스의 진화 근원 및 가능한 자연계 숙주를 밝히기 위해 연구팀은 우한 신종 코로나바이러스와 기존에 수집한 대량 코로나바이러스 데이터에 대한 유전적 진화분석을 통해 우한 신종 코로나바이러스는 Beta코로나바이러스속(Betacoronavirus)에 속함을 발견했다. Betacoronavirus는 단백질로 둘러싸인 단일사슬 플러스가닥(plus strand) RNA바이러스로서 사람을 포함한 고등동물에 기생하며 감염시킨다. 계통수에서의 위치를 보면 SARS 바이러스 및 유사SARS(SARS-like) 바이러스 분류군과 인접해 있지만 결코 SARS/유사SARS 바이러스 분류군에 속하지 않는다. 흥미로운 것은 그들 진화에서 공동의 외군(outgroup)은 과일박쥐(fruit bat)에 기생하는 HKU9-1코로나바이러스라는 점이다. 따라서 우한 코로나바이러스와 SARS/유사SARS 코로나바이러스 공동의 조상은 HKU9-1와 유사한 바이러스이다. 우한 코로나바이러스의 진화 이웃 및 외군 모두 다양한 종류의 박쥐에서 발견된데 비추어 우한 코로나바이러스의 자연 숙주 또한 박쥐일 것으로 추정된다. 아마도 우한 코로나바이러스도 2002년에 사스를 유발한 코로나바이러스와 마찬가지로 박쥐에서 사람에 이르는 전염과정 가운데 알려지지 않은 중간숙주 매개체가 있을 가능성이 크다. 우한 신종 코로나바이러스와 SARS/MERS 바이러스와의 유전적 거리가 매우 먼 점을 감안해 연구팀은 우한 신종 코로나바이러스의 사람 감염 메커니즘 및 경로를 분석하였다. SARS/MERS 바이러스의 S-단백질은 각각 사람의 ACE2, DPP4 단백질과의 상호결합을 통해 사람의 호흡기상피세포를 감염시킨다. 연구팀은 우한 코로나바이러스와 SARS/MERS 바이러스 S-단백질의 숙주 수용체 상호작용 영역(RBD 영역) 비교를 통해 RBD영역에서 우한 코로나바이러스와 SARS 바이러스가 비교적 유사함을 발견하였다. 그러나 MERS 바이러스와의 차이가 큰 점에 미루어 S-단백질과 DPP4 상호작용적 사람 감염의 가능성을 배제하였다. 하지만 우한 코로나바이러스 S-단백질이 사람 ACE2와의 상호작용도 큰 어려움이 존재한다(이미 입증된 SARS 바이러스 S-단백질과 ACE2와 상호작용하는 5개 핵심 아미노산 가운데 4개가 우한 코로나바이러스에서 변화가 발생했다). 연구팀은 상기 문제를 해명하기 위해 분자구조 시뮬레이션 연산방법을 사용해 우한 코로나바이러스 S-단백질과 사람 ACE2 단백질 구조 맞물림 연구를 수행하여 놀라운 결과를 얻었다. 비록 우한 코로나바이러스 S-단백질 중 ACE2 단백질과 결합되는 5개 핵심 아미노산 가운데 4개에 변화가 발생하였지만 변화된 아미노산은 오히려 전체적으로 SARS 바이러스 S-단백질과 ACE2 단백질이 상호작용하는 오리지널 구조형태를 매우 완벽하게 유지하고 있었다. 우한 신종 코로나바이러스의 새 구조와 ACE2 단백질의 상호작용력이 소수 수소결합의 손실로 다소 저하(SARS 바이러스 S-단백질과 ACE2 상호작용에 비해 저하)되었으나 결합 자유에너지(binding free energy)는 -50.6 kcal/mol로 여전히 매우 높은 수준에 도달하였다. 동 결과는 우한 코로나바이러스가 S-단백질과 사람 ACE2와의 상호작용 분자 메커니즘을 통해 사람의 호흡기상피세포를 감염시킴을 입증한다. 해당 연구 성과는 우한 코로나바이러스가 사람에 매우 강한 감염력을 보유함을 예측함으로써 과학적인 예방통제, 예방통제 전략 구축, 검사/중재 기술수단 개발 등을 위해 과학적 이론기반을 마련하였다.

신형 항결핵 약물 개발에 정밀 표적 제공

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퉁지대학교 의학대학 및 부속상하이시폐전문병원 거바오쉐(戈宝学) 연구팀과 상하이과기대학교 라오쯔허(饶子和) 연구팀은 공동으로 결핵균에 존재하고 있는 일종의 매우 총명한 단백질이 인체 단백질 분자를 이용해 자체 면역계를 공격함으로써 결핵병을 유발함을 발견하였다. 해당 연구 성과는 "Nature"에 온라인으로 게재되었다(https://www.nature.com/articles/s41586-019-1915-7). 결핵병은 지금까지도 세계적으로 감염으로 인한 사망의 주원인이다. 세계보건기구 통계에 따르면 2018년 전세계 새 발병건수는 1,000만 건에 이르는 것으로 나타났다. 항결핵균 약물의 광범위한 사용에 의한 약물내성 결핵병 발생상황은 해마다 심각해지고 있고 이에 따라 커지는 결핵병 치료의 어려움은 세계적인 과제로 되고 있다. 현재까지 결핵균 감염·발병 및 약물내성 메커니즘은 완전히 밝혀지지 않았고 결핵병에 대한 빠르고도 정확한 진단방법도 부족하며 신형 약물이 없는 등 이유로 결핵병에 대한 예방은 여전히 큰 도전에 직면해 있다. 연구팀은 "결핵균과 숙주의 상호작용이 감염성질병 발생의 기초"라는 핵심문제를 둘러싸고 결핵균 감염·발병 과정 중 핵심 병원균과 숙주 분자기계(Molecular Machine)의 구조, 기능 및 조절 메커니즘을 연구하였다. 또한 표적 결핵균과 숙주 상호작용의 차원에서 접근해 신형 항결핵 약물 개발을 추진하였다. 인체가 결핵균에 감염시 결핵균은 독성인자 Rv0222를 분비할 수 있고 Rv0222은 인체의 단백질수식시스템을 이용해 2차 가공을 거친 후 효과적으로 인체면역계 공격에 저항할 수 있다. 이로써 결핵균의 인체면역계로부터 도피 및 발병이 초래된다. 즉, 해당 단백질은 인체 자신의 "창(단백질 분자)"을 이용해 자신의 "방패(면역계)"를 공격함으로써 인체 면역계의 공격을 피해가며 최종적으로 결핵병 발생을 초래한다. 현재 이와 관련한 일련의 성과가 "Nature", "Nature Microbiology" 등 저널에 각각 게재되었다. 해당 연구는 결핵균이 인체 유비퀴틴화 시스템을 이용해 인체 면역공격을 피해가는 도피 메커니즘을 완전하게 서술함으로써 단백질수식시스템의 감염성질병 조절에서의 역할에 대한 이해를 넓혔다. 또한 단백질 구조 분석 및 기능 탐구를 통해 Rv0222 독성 단백질이 76 부위 라이신에서 유비퀴틴화 수식을 발생한 후 독성을 발휘함을 정확하게 규명하였는바 이는 후속 신형 항결핵 약물 개발에 정밀 표적을 제공할 수 있다. 실험현장 실험현장2 실험결과논의

베르베린의 결장직장암 절제술 후의 재발 예방 발견

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상하이교통대학교 의과대학 부속런지(仁济)병원 소화과 팡징위안(房静远) 연구팀은 중국 전통 중약재인 황련(黄连) 추출물 베르베린(berberine, BBR)이 결장직장암 발병전 질환인 선종의 내시경 절제 후 재발을 방지하는 작용이 있음을 입증했다. 해당 연구는 선종 절제술 후의 화학적 예방을 위한 새로운 선택을 제공한다. 결장직장암은 세계에서 가장 흔한 악성종양으로 최근 10년간 발병율이 신속한 증가 추세를 보이고 있다. 약 90% 이상의 결장직장암은 결장직장 선종에서 비롯된다. 50세 이상 성인 중 선종 유병률이 약 30%~40%이며 내시경 절제를 통해 결장직장암의 발병을 예방할 수 있다. 절제술 1년 후의 선종 재발율은 30% 이상이고 3년 후 재발율은 약 50%이다. 선종 재발을 화학적 예방하는 약물과 방법 연구가 진행되고 있지만 개발한 약물은 거의 부작용이나 비싼 가격으로 인해 보급이 어렵다. 결장직장암 예방은 공중보건 분야의 주요 어려움으로 되고 있다. 해당 연구는 상하이교통대학교 의과대학 부속런지병원, 해방군총병원 제7의학센터, 텐진(天津)의과대학교 총병원, 남방의과대학교 남방병원, 샤먼(厦门)대학교 부속중산병원, 난징(南京)대학교 의과대학 부속구러우(鼓楼)병원, 퉁지(同济)대학교 부속상하이제10인민병원 등 7개 병원 소화과에서 공동으로 대규모 무작위, 이중맹검, 플라세보 대조 임상시험 연구를 완성했다. 해당 대조 연구 성과는 "Lancet Gastroenterology and Hepatology"에 게재되었다. 연구팀은 엽산이 50세 이상 성인의 결장직장암 조기 발생을 예방함을 입증하고 대변의 공생 클로스트리듐 검사를 통해 직장 선종과 조기암을 조기경보할 수 있음을 입증했다.

세계 첫 1만 종 원생생물 게놈 프로젝트 가동

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1만 종 대표적 원생생물 유전자 지도 작성 및 대규모 원생생물 유전자원 데이터베이스 구축을 취지로 하는 세계 첫 1만 종 원생생물 게놈 프로젝트(Protist 10000 Genomes Project, 약칭 P10K)가 공식 발표되었다. 원생생물은 주로 단세포 진핵생물로 구성된 생물의 5계(식물계, 진균계, 동물계, 원생생물계, 원핵생물계) 중 하나로 단세포 진핵조류(eukaryotic algae) 및 원생동물 등이 포함되는데 이미 기재된 종만 해도 6만 종을 초과하며 알려지지 않은 종의 수는 더구나 짐작하기 어렵다. 물이 있는 곳이기만 하면 존재할 정도로 원생생물의 분포는 매우 광범위하다. 원생생물은 수생생태계를 구성하는 주요 성분이다. 그중 지구의 약 50% 광합성작용을 담당하는 조류는 수생동물(aquatic animal)과 인간의 질좋은 먹잇감이자 영양식품이다. 일부 와편모조류 및 규조의 대량번식은 하천/해양의 유독성 조류 대증식을 일으켜 심각한 환경문제를 야기한다. 그리고 인간 말라리아를 유발하는 말라리아원충, 수면병(sleeping sickness)을 유발하는 트리파노소마(trypanosome), 닭 콕시듐병을 유발하는 콕시디아(Coccidia), 어류 백점병을 유발하는 백점충(Ichthyophthirius Multifiliis) 등 많은 원생생물은 인간, 가축·가금, 수생동물의 주요 병원성 기생충이다. 현재 기초생물학 연구 분야에서 일부 원생생물이 모델생물로 이용되는 등 큰 기여를 하고 있다. 예를 들어 테트라히메나 테모필라(Tetrahymena thermophila)에서의 리보자임(ribozyme), 텔로미어(telomere), 텔로머라제(telomerase) 등 발견은 각각 1989년과 2009년의 노벨상으로 선정되었다. 하지만 공개 발표된 유전체 데이터 관련 원생생물은 400여 종 밖에 안 된다. P10K은 중국과학원 수생생물연구소, 시짱대학교, 허난농업대학교, 중국농업과학원 란저우수의(兽医)연구소, 중국과학원 베이징게놈연구소, 화중과기대학교 등 기관이 공동 발의하였다. P10K은 세계 최초의 원생생물계를 대상한 대규모 게놈 프로젝트이다. 동 계획은 상기 발의기관이 보관하고 있는 3,000여 종 진핵조류/원생동물 유전자원에 의존하는 한편 지속적인 샘플 수집 및 메타게놈 데이터 발굴을 통해 향후 3년 동안에 원생생물의 전부 26개 문을 포함하며 85% 이상의 강, 60% 이상의 목, 30% 이상의 과를 포함시킨 약 1만 종 원생생물에 대한 게놈시퀀싱 및 분석을 완성할 계획이다. P10K 추진은 생물의 다양성 형성 메커니즘 및 다세포생물/유성생식의 기원·진화 등 중요 기초생명과학문제 이해에 도움을 주며, 국가과기자원공유서비스플랫폼 정보상호연결을 촉진하고, 생태환경보호/영양건강/질병예방 관련 원생생물 유전자원 발굴 및 응용·실천을 촉진할 전망이다. 특히 개방형 연맹방식으로 운영될 예정인 해당 계획에 중국내외 관련 연구진이 가입할 수 있다는데 귀추가 주목된다.

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.

수소에너지 장비 시험테스트 기술 배치 가속화

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베이징우주시험기술연구소(항천 101연구소), 중국특종설비연구원, 중국과학원 이화학연구소, 베이징저탄소연구원 등 13개 부서는 중국 최초로 액체수소협력혁신연합체(이하 연합체)를 설립하여 수소에너지 장비 시험 테스트 기술의 배치를 가속화할 예정이다. 중국은 최대 수소 생산국이며 또한, 수소 사용 대국이다. 2050년에 이르러 중국의 수소에너지는 최종 에너지소비의 10%를 차지할 전망이다. 현재 중국의 수소에너지 산업은 제품 성능 테스트와 품질 검증에 관한 기술 경험이 부족하고 성숙한 수소에너지 장비 성능 테스트와 테스트 방법, 표준 및 인프라가 부족하며 완전한 수소에너지 장비 품질 평가 시스템과 테스트 검증 능력이 형성되지 않아 수소에너지 장비 보급과 안전 응용 진전에 심각한 영향을 미친다. 따라서 향후, 수소에너지 장비 테스트 분야의 지속적인 연구와 투자를 강화하고 지역 수소에너지 장비 테스트 기지를 구축하며 전국적인 수소에너지 장비 테스트 네트워크를 형성하여 수소에너지 테스트 수준을 향상시켜야 한다. 연합체는 액체수소 분야의 핵심 기술에 중점을 두고 액체수소 기술과 장비 연구, 개발, 시험, 테스트, 산업화 등 분야에서 산학연용(산업-학술-연구-응용) 협력을 전개하고 산업표준 제정과 정책 연구에 조력하며 중국의 액체수소 기술 개발, 표준 제정, 테스트 평가 및 기술 서비스를 이끌고 액체수소 기술과 산업의 자주화 발전을 촉진할 예정이다. 항천과기그룹유한회사는 수소에너지 관련 과학기술과 산업 배치를 추진하여 일련의 신제품, 신서비스를 형성하였고 국내 사용자의 새로운 수요를 충족시키고 있다. 아울러, 축적한 기술, 서비스 능력 및 투자 구축한 시험 장비를 다양한 형태로 국내 기업에 개방하여 새 협력을 모색하고 있다.

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.

2차원 얼음의 존재 및 성장 메커니즘 최초 입증

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베이징대학교, 미국 네브래스카대학교 링컨캠퍼스(University of Nebraska-Lincoln), 중국과학원 연구팀은 공동으로 고해상도 qPlus형 원자힘 현미경(atomic force microscope) 기술을 이용해 최초로 2차원 얼음의 존재를 실험적으로 입증하였다. 아울러 그 형성 과정을 원자급 해상도에서 영상화함으로써 그 특이적 성장 메커니즘을 규명하였다. 해당 성과는 "Nature"에 게재되었다. 지난 100여 년 동안 발견된 얼음의 3차원 구조는 총 18종인데 그 중 가장 흔한 종류가 바로 날리는 눈꽃, 더위를 식히는 얼음덩이, 남극의 두터운 얼음층 등 육각형 얼음상(ice phase)이다. 하지만 자연계에 안정적 2차원 얼음이 존재하는지 여부를 입증할 확실한 실험적 증거가 없다. 연구팀은 온도, 수압 정밀 조절 하에 소수성 금 기질(Au substrate) 위에서 최초로 단일결정 2차원 얼음 구조를 성장시켰다. 또한 비간섭적 원자힘 현미경 이미징 기술을 2차원 얼음의 아분자급 해상도 영상화에 응용함과 아울러 이론적 계산을 결합시켜 그 원자 구조를 확정하였다. 연구 결과, 2차원 얼음은 2개 층 육각얼음이 무회전 적층되어 형성된 것으로 2개 층 사이는 수소결합으로 연결되며 각각의 물분자는 동일 층 물분자와 3개 수소결합을 형성하는 한편 위아래층 물분자와 1개 수소결합을 형성하는 관계로 모든 수소결합은 전부 포화되었고 그 구조 또한 매우 안정적이다. 다시 말해 독립적으로 존재할 수 있는 "자기포화(self-saturating)" 2차원 얼음이다. 이는 실험적으로 입증된 첫 번째 종류의 2차원 얼음 구조이기에 "2차원 얼음 I상"이라 명명하였다. 2차원 얼음이 어떻게 형성되는지를 확인하기 위해 연구팀은 2차원 얼음을 영하 153℃에서 영하 268℃로 급냉동시킴으로써 얼음 성장 과정의 일련의 중간상태를 동결시켰다. 이로써 안정적인 이미징을 구현함과 아울러 2차원 아이슬란드 톱니형 경계의 "가교"식 성장 및 팔걸이의자형 경계의 "파종"식 성장 메커니즘을 제안하였다. 해당 발견은 100여 년래 형성된 얼음상에 대한 전통적 인식에 도전장을 내밀었다. 2차원 얼음이 존재할 경우, 3차원 얼음은 표면을 따라 성장하기에 매우 견고하지만 2차원 얼음이 존재하지 않을 경우, 형성된 3차원 얼음과 표면의 접촉면이 매우 작아 쉽게 바람에 날려갈 수 있다. 따라서 2차원 얼음 구조에 근거한 더 목적성 있는 결빙방지재료 설계 및 개발이 가능하다. 그리고 2차원 얼음을 이용해 재료 사이 마찰을 줄일 수도 있다. 이외, 2차원 얼음은 일종의 특수한 2차원 재료로서 향후 고온 초전도성, 심자외선 탐지, 저온전자현미경 이미징 등 연구에 참신한 플랫폼을 제공할 전망이다.

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.

"나선형 광선"으로 이미지 정보 저장 능력을 100배 향상

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상하이이공대학 인공지능나노광자학연구센터 구민(顧敏) 연구팀은 "궤도각운동량 홀로그래피 기술"을 개발했다. 해당 성과는 "Nature Photonics"에 장편으로 게재됐다. "궤도각운동량 홀로그래피 기술"은 "스파이럴" 특성을 보유한 궤도각운동량 광선속을 광학 홀로그래피 과정의 정보 캐리어(Information carrier)로 하여 초광대역(Ultra Wide Band, UWB) 광학 홀로그래피 정보전달 과정을 구현한다. 아울러 "나선형 광선"으로 여러 개의 "열쇠"를 조합함으로써 정보전달 과정에서 수신자만이 접속할 수 있는 "안전문"을 설치한다. 이는 "나선형 광선"을 최초로 홀로그래피 분야에 응용하여 성공한 이론적 탐구로서 빅데이터 정보화 시대 진입에 대용량 홀로그래피 기술을 제공했다. 정보화 시대의 쾌속적인 발전에 따라 생성되는 데이터 정보는 날로 증가되고 있으며 동시에 제한된 메모리에 의한 더욱 많은 정보 기록이 필요하다. 전통적인 홀로그래픽 디스플레이 기술로 복잡한 디스플레이 효과를 달성하려면 신호원(Signal source) 및 신호 채널수를 증가시켜야 한다. 하지만 "대역폭 부족", "저해상도" 등 상황이 발생한다. 연구팀은 궤도각운동량 광선속의 공간 주파수 스펙트럼에 대한 분석을 통해 "스파이럴 정도"가 다른 궤도각운동량 광선은 동일한 신호원의 상이한 신호 채널에 대응됨을 발견했다. 이로써 전통적인 홀로그래피 기술의 표본화 정리를 확장시켜 궤도각운동량 광선속을 홀로그래피 과정의 대용량 정보 캐리어로 이용하여 동일한 메모리 조건에서 이미지 정보 저장 능력을 100배로 향상시켰다. 궤도각운동량 광선의 다양한 "스파이럴 정도", 각도, 광색, 파장 등으로 무한개 종류의 "상태"를 조합할 수 있다. 이는 해당 기술을 통해 신호 채널을 무한개로 증가시킬 수 있으며 동일한 메모리 조건에서 정보 저장 능력을 100배 이상 향상시킬 수 있음을 의미한다. 또한 다양한 "상태"의 나선형 광선은 상이한 신호 채널의 "잠금장치"에 대응되기에 입사 광속의 스파이럴 상태를 파악해야만 암호화된 홀로그래피 정보를 해독할 수 있으며 따라서 정보전달의 안전성을 확보할 수 있다.