최근, 중국과학기술대학 루쥔링(路軍嶺) 연구팀은 리웨이쉐(李微雪) 연구팀과 공동으로 최초로 금속 나노촉매에서 기하학적 효과 및 전자 효과가 각자 촉매반응에 대한 사이즈 변화에 따른 조절 규칙을 규명하였으며 박리 금속 입자의 기하학적 효과와 전자 효과를 분할하는 전략-금속 나노 입자의 "산화물 선택성 피복" 방법을 독창적으로 제안하였다. 이로써 중요한 응용 배경을 보유한 백금 촉매로 벤질알코올을 선택적으로 벤즈알데하이드로 산화시키는 반응에서 고활성 및 고선택성 전환을 구현할 수 있게 되었다. 금속 나노 촉매 입자의 기하학적 구조 및 전자 구조는 사이즈에 따라 동기화 변화되기에 2종 구조 효과가 촉매반응 활성, 선택성에 대한 기여 및 사이즈에 대한 의존 관계를 효과적으로 구분하기 어렵다. 그러므로 금속 촉매 사이즈 효과의 내재적 본질을 규명하여 기하학적 구조 효과 및 전자 효과가 입자 사이즈와의 강한 관련성을 깨뜨리고 나아가 더욱 우수한 성능의 촉매를 설계하는 것은 현재 불균일 촉매(Heterogeneous catalysis) 분야의 연구과제로 되고 있다. 연구팀은 4nm보다 크거나 4nm보다 작은 입자 크기 조건에서 기하학적 효과 및 전자 효과는 각각 주도적 반응의 성능을 제어하며 따라서 촉매 반응의 선택성 및 활성은 모두 입자 사이즈에 따라 "화산형" 변화추세를 나타냄을 발견하였다. 연구팀은 이를 기반으로 "산화물 선택성 피복" 4nm 입자의 낮은 배위 원자를 통하여 부반응 발생을 효과적으로 억제시켜 높은 비질량 활성 및 고선택성 촉매를 획득하였다. 본 연구에서 제안한 "산화물 선택성 피복" 금속 나노 입자 전략으로 박리 금속 입자의 기하학적 효과 및 전자 효과를 효과적으로 분할할 수 있을 뿐만 아니라 촉매 성능이 입자 사이즈 변화에 따른 "화산형" 곡선 법칙을 깨뜨렸다. 해당 전략은 촉매 반응의 기하학적 효과 및 전자 효과를 연구하는데 효과적인 수단을 제공함과 아울러 고활성, 고선택성 금속 촉매를 설계하는데 중요한 지침을 제공하였다.

최근 베이징대학 물리학부 인공미세구조·중시계물리 국가중점실험실, 선도학제간융합연구원 정량적생물학센터 마오유둥(毛有東) 연구팀은 냉동전자현미경과 기계학습 기술을 결합시켜 인간유래 프로테아좀 26S가 기질 분해 과정에서의 7가지 중간상태 형태의 고해상도(2.8Å~3.6Å) 정밀 원자구조를 해석하였는데 해당 국소 해상도는 최대 2.5Å에 도달하였다. 해당 논문은 "Nature"에 발표되었는데 특대 복합단백질에 대한 3.6Å 이상 해상도의 체계적 실험연구 기계의 동역학 과정 및 원리를 발표한 것은 "Nature" 사상 처음이다. 이는 냉동전자현미경이 완전 원자 동역학적 분석의 새로운 발전단계에 진입하였음을 의미한다. 연구팀이 규명한 3차원 구조는 놀라운 시공간적 연속성을 나타냈고 원자 수준에서 프로테아좀과 기질의 상호작용 동적 과정을 생생하게 나타냈다. 연구팀은 최초로 아데노신트리포스파타아제 헥사 분자모터속 아데노신 삼인산(adenosine triphosphate, ATP) 가수분해의 완전주기 단계적 순환 전과정에 대한 원자 수준 관측 및 3차원 모델링을 달성하였다. 뿐만 아니라 3종의 상이한 ATP 가수분해 협동반응 패턴 및 프로테아좀의 복잡하고 다양한 기능 제어 방법을 발견하였다. 연구팀은 장기간 미해결이었던 일련의 과학문제를 해결하였다. 예를 들면 아데노신트리포스파타아제 모터가 어떻게 화학에너지를 역학에너지로 전환시키는지를 해결함으로써 기질 중첩풀림(unfolding)의 협동 역학적 메커니즘을 규명하였다.

최근 중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소 광전재료역학특구연구조(組) 우카이펑(吳凱豐) 연구팀은 희토류금속 이터븀 도핑의 나노결정 재료를 기반으로 "양자분리 태양광 집광판" 개념을 최초로 제안하였고 또한 해당 개념에 기초하여 고효율 태양광 집광판 프로토타입 장치를 제조하였다. 해당 성과는 "Nano Letters"에 게재되었다. 발광형 태양열 집광판(Luminescent Solar Concentrators, LSCs)은 1976년에 W. H. Weber 등에 의해 제안되었다. LSCs는 실리콘 기반 태양전지를 대상한 저가 보완 방안이다. LSCs는 일종의 구조가 상대적으로 간단한 대면적 태양광 포획장치로서 발광단(luminophore)을 투명한 기저(유리판 등)에 코팅하거나 삽입하는 구조이다. 발광단은 패널에 입사된 태양 광자를 흡수한 후 광자를 방출한다. 기저와 공기의 굴절율 차이로 인해 그중의 약 75% 광자는 전반사 모드에 돌입해 패널의 가장자리로 도파된다. 패널 가장자리로 도파된 광자는 패널 가장자리에 부착된 태양전지를 작동시켜 광에너지를 전기에너지로 전환시킨다. 집광효율을 충분히 높일 경우 가장자리에 소량 태양전지를 부착한 1개 LSC만으로 1개 대면적 태양전지에 해당하는 성능을 달성할 수 있어 태양광발전의 원가를 대폭 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 완전 투명 LSCs 또는 반투명 LSCs를 건축물 창문유리에 직접 통합시켜 태양에너지 유리창으로 변신시킴으로써 현존 에너지소비형 건축물로 하여금 에너지 자급자족을 실현할 수 있다. 기존의 LSCs 발광단은 형광효율(80% 이하)이 낮고 자기흡수(self absorption) 손실로 인해 장치 내부 광학효율이 일반적으로 60%에 못 미친다. 양자분리(quantum cutting)는 신기한 광학현상이다. 양자분리 효과에 기반한 재료는 1개 고에너지 광자를 흡수함과 동시에 2개 저에너지 광자를 방출하면서 에너지 보존이란 기본적 물리법칙을 충족시킨다. 따라서 이론상 발광단의 형광 양자 효율을 배로 증가시킬 수 있다. 또한 발광 파장이 재료의 변두리 부위에서 멀리 떨어져 있기에 발광단의 자기흡수 손실을 완전히 억제할 수 있다. 연구팀이 제안한 양자분리 효과 기반 LSCs는 이론적으로 200%의 형광 양자 효율을 달성할 수 있고 또한 자기흡수 손실도 완전히 억제할 수 있다. 따라서 내부 광학효율(ηint)의 이론적 한계를 150%로 새롭게 정의할 수 있다. 연구팀은 희토류금속 이터븀을 도핑한 CsPbCl3 나노결정을 합성하였고 그 형광효율이 164%에 도달해 전형적인 양자분리 특성을 나타냄을 발견하였다. 재료역학 시험 결과 고효율적 양자분리 과정은 피코초 단위에서 발생하였다. 상기 유형의 나노결정으로 제조한 프로토타입의 양자분리 LSCs은 약 120%의 장치 내부 광학효율을 달성하였다. 향후 장치에 대한 더한층 최적화 및 태양광 흡수성능 향상을 통해 대면적 LSCs에서 10%의 외부 광학효율(ηext)을 달성할 전망이다. 연구팀이 최초로 제안한 "양자분리 태양광 집광판" 개념은 태양광발전 원가 절감 및 스마트 건축물 구축 분야에 광범위한 응용전망이 있다. 도시화 추진과 더불어 LSCs로 시구역의 태양전지 부설 면적은 줄지만 건축물 유리창 면적은 충분히 활용할 수 있다. 고효율 저원가 LSC 방안은 완전 투명 또는 반투명 태양에너지 유리창에 응용 가능한 외, 에너지를 자급자족하는 "스마트 교통"에도 응용이 가능해 에너지 절약 및 배기가스 감축을 달성할 수 있다. 뿐만 아니라 온실에도 LSCs를 응용할 수 있다. 연구에 의하면 식물은 적색광에 대한 광합성작용 효율이 가장 높다. LSCs 기술을 온실에 접목시킴으로써 식물의 성장을 최적화함과 아울러 전력도 생산할 수 있다.

최근 중국과학기술대학 국가싱크로트론방사실험실 웨이스창(韦世强)/야오타오(姚涛) 연구팀과 화학·재료대학 양진룽(杨金龙) 연구팀은 싱크로트론 방사광원에 기반하여 개발한 새 기술을 사용하여 세계 최초로 가수분해 수소발생 과정에서 코발트 기반 촉매의 구조 및 과정을 정확하게 규명했다. 해당 성과는 2019년 1월 1일 "Nature-Catalysis"에 게재되었다. 촉매는 가수분해를 통한 수소발생에서 에너지 전환효율을 향상시키는 핵심부분이다. 따라서 촉매과정 및 촉매상태에서 촉매재료의 구조를 밝히는 것은 매우 중요하다. 연구팀은 원위치 싱크로트론 방사 X선 흡수 정밀구조 분광학 기술을 개발하였고 또한 허페이(合肥), 베이징, 상하이 싱크로트론 방사광원에 기반하여 시험장치를 구축하였다. 그리고 이론적 계산과 결합하여 최초로 전기촉매 수소발생 반응과정에서 코발트 기반 촉매의 활성부위 실제 구조 및 동적 변화 과정을 정확하게 규명하였다. 촉매재료는 물분자에서 수소분자의 분해를 돕는다. 싱크로트론 방사 저장링속의 전자빔을 유도하여 재료 반응 표면에 조사하는 방법으로 상기 과정을 정밀하게 구현할 수 있다. 상업용 귀금속 백금-탄소 촉매는 고효율적이고 안정적인 수소발생 재료로 인정받고 있다. 코발트 기반 촉매재료의 원가는 백금-탄소 촉매의 절반도 안 되지만 성능 및 안정성은 백금-탄소 촉매에 근접하므로 잠재적이고 광범위한 응용전망이 있다.

최근 저장(浙江)대학 정보·전자공학학원 자오보(趙博) 연구팀은 크기가 0.7㎟ 미만인 저전력 소모 소형화 인체매질통신(body channel communication) 송수신기(transceiver) 칩을 설계하였다. 해당 칩의 개발로 웨어러블 기기가 더 가볍고 간편하게 됨과 아울러 대기시간도 연장될 전망이다. 해당 연구는 "IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS"에 게재되었다. 전지는 웨어러블 기기에서 부피가 가장 큰 구성부분이다. 전통적 무선통신에 비해 웨어러블 기기는 인체표면을 직접적으로 신호전달 매개체로 이용하기에 에너지 소비를 줄일 수 있을 뿐더러 안테나도 필요하지 않는 이상적인 솔루션이다. 저장대학, 싱가포르국립대학, 미국 캘리포니아대학 버클리캠퍼스, 캐나다 요크대학이 동 연구에 참여했다.

2018년 12월 27일 중국과학원 쑤저우(苏州)생명의학공학기술연구소가 담당한 국가 중대과학연구 장비개발 프로젝트 "초해상도 현미광학 핵심부품 및 시스템 개발"이 검수에 통과하였다. 이는 중국이 첨단 초해상도 광학현미경 개발에 성공하였음을 의미한다. 동 프로젝트의 성공적 시행으로 중국은 첨단 광학현미경을 수입에 의존하던 국면을 개변했다. 또한 중국의 생명의학 등 선도 기초연구의 맞춤형 수요를 만족시키고 혁신능력을 향상시킴과 아울러 광학현미경 업종의 전환 및 업그레이드 촉진 등에 중요한 의미가 있다. 고/초해상도 광학현미경은 생물학 및 기초의학 연구에서 매우 중요한 역할을 한다. 10nm에서 100nm 스케일의 초해상도 광학현미경 이미징은 독창적 연구 성과 획득에 있어 중요한 수단이다. 연구팀은 5년간 연구를 통해 큰 개구수 대물렌즈, 특수광원, 신형 나노형광 증강시약, 시스템 통합 및 검측 등 핵심 기술을 파악하고 이와 관련한 국가 발명특허 90여 건을 출원하였는데 그중 30여 건이 특허를 획득하였다. 연구팀은 공초점레이저주사현미경, 이광자현미경, 자극방출고갈(stimulated emission depletion, STED) 초해상도현미경, 이광자-STED현미경 등 첨단 광학현미경 완제품을 개발하였고 또한 첨단 광학현미경 가공, 조립, 테스트 및 현미경 완성품 기술통합 공학플랫폼을 구축하였다. 아울러 복잡하고 정밀한 첨단 광학현미경 개발능력을 갖춘 개발팀을 양성함으로써 중국의 첨단 광학현미경 개발에 체계적인 해결방안을 마련하였다. 동 연구소가 개발한 초해상도 현미경 및 핵심부품은 국내뿐만 아니라 미국, 독일, 이스라엘 등의 연구기관에 투입되어 현재 성과를 창출하고 있다. 예를 들면 중국과학원 동물연구소는 해당 현미경을 발생생물학 기본현상 관찰에 사용하여 잠재적 제어 메커니즘을 연구하고 있고 중국과학원 약물연구소는 약물의 세포 내 표적화 위치추정 및 전달 연구에 해당 현미경을 투입하여 혁신신약 개발을 가속하고 있다.

최근 중국과학원 허페이(合肥)물질과학연구원 플라스마물리연구소 토카막물리연구실 후젠성(胡建生) 연구팀은 금속 리튬의 무산소 구리(oxygen free copper) 부식 거동 및 메커니즘을 규명하였다. 해당 성과는 "Corrosion characteristics of copper in static liquid lithium under high vacuum"란 제목으로 "Journal of Nuclear Materials"에 게재되었다. 핵융합 장치에서 관련 구조재료 및 제1벽재료에 대한 액상 리튬의 부식 특성에 대한 연구는 핵융합 장치에서의 액상 리튬의 응용 및 관련 재료 선택에 중요한 의미가 있다. 연구팀은 대량 액상 리튬이 스테인리스강, 몰리브덴, 텅스텐에 대한 부식 실험을 수행하였다. 실험 과정에서 리튬의 부식으로 인한 실험장치의 무산소 구리 밀봉링(Sealing ring)의 파괴현상을 발견하였다(X.C. Meng, et al., Fusion Eng. Des. 2018:128 75). 이를 토대로 연구팀은 액상 리튬의 무산소 구리 부식 실험 및 시뮬레이션 연구를 체계적으로 수행하였다. 연구 결과 무산소 구리와 액상 리튬은 호환되지 않음을 발견하였다. 액상 리튬이 무산소 구리 부식에 대한 메커니즘에는 액상 리튬에서 구리의 물리적 용해 및 액상 리튬의 구리 결정체 입계 부식이 포함된다. 물리적 용해는 액상 리튬에서 구리의 용해도에 의해 결정되지만 부식 장치에 다양한 금속이 존재하기에 액상 리튬에서 구리의 항온 질량 이동은 질량 손실의 주요 원인이다. 또한 결정체 입계 에너지의 존재는 입계 구리 원자의 액상 리튬속으로의 용해를 추진한다. 아울러 액상 리튬은 결정체 입계 결함을 통해 구리 결정체 입계에 쉽게 침투해 구리의 성능을 파괴한다. 그리고 액상 리튬의 구리 결정체 입계 부식은 구리 결정립의 탈락을 유발할 수 있어 구리 기질 파괴 및 구리 질량의 대량적 손실을 초래한다. 해당 연구는 액상 리튬 환경에서 무산소 구리의 응용·보호를 위해 중요한 근거 및 참고정보를 제공하였다.

최근, 중국과기대학 궈광찬 연구팀의 리촨펑(李傳鋒), 천겅(陳耕) 등은 측정 장비의 비신뢰성 조건에서 실험을 수행하여 미지의 양자얽힘 상태 신뢰성 정보를 획득함과 아울러 세계 최초로 양자얽힘 상태의 자가검사를 구현하였다. 해당 연구성과는 "Physical Review Letters"에 게재되었다. 양자얽힘은 양자정보 분야의 중요한 자원이다. 과학계는 일반적으로 양자상태 크로마토그래피 방법을 이용하여 양자얽힘 상태를 측정하는데 해당 방법은 병원에서 사용하는 CT 스캔과 유사하다. 양자상태 크로마토그래피를 통하여 얽힘 상태 형식을 재구성할 수 있으며 더 나아가 얽힘 상태의 신뢰도 등 중요한 정보를 획득할 수 있다. 그러나 양자 상태 크로마토그래피 방법은 측정 설비의 정확성 및 신뢰성에 의존하기에 안전성 요구를 보유한 양자정보 임무에 사용할 수 없다. 예를 들면 양자통신 검사 설비가 도청자에 의하여 통제되면 양자통신의 비밀성에 위험을 초래한다. 해당 문제점을 해결하기 위해 "벨부등식 위반" 등 다양한 얽힘 측정 기반의 검사 설비 비의존성 신뢰적 양자얽힘 자가검사방법을 제안하였다. 국제 학술계에서는 해당 방법에 대한 대량의 이론적 연구를 수행하였지만 관련 실험은 수행하지 않았다. 리촨펑, 천겅(陳耕) 등은 독창적인 설계 및 실험으로 2비트 및 3비트 양자얽힘 상태 자가검사를 구현하였으며 다양한 형식의 양자 얽힘 상태에 대하여 측정 설비 비신뢰성 조건에서 미지 양자얽힘 상태의 신뢰성 정보를 획득함과 아울러 전통적인 양자 상태 크로마토그래피 결과와 비교하여 자가검사 결과의 신뢰성을 입증하였다. 본 연구는 세계 첫 "고신뢰성, 항간섭" 특성을 보유한 양자 상태 가가검사 실험으로서 자가검사를 다양한 양자정보 과정에 보급·응용하고 양자통신 및 양자 컴퓨터 연구를 추진하는데 중요한 기반을 마련하였다.

최근, 푸단(復旦)대학 물리학부 슈파셴(修發賢) 프로젝트팀은 토포로지컬반금속(Topological semimetals) 비소화카드뮴 나노시트(Nanosheets)에서 바일 궤도(Weyl orbits)로 형성된 새로운 3차원 양자홀효과의 직접적 근거를 관측하였다. 이로써 2차원에서 3차원으로의 관건적 한걸음을 내디디었다. 해당 연구성과는 "비소화카드뮴에서 바일 궤도 기반 양자홀효과(Quantum Hall effect based on Weyl orbits in Cd3As2)"라는 제목으로 "Nature(DOI: 10.1038/s41586-018-0798-3)"에 온라인으로 게재되었다. 20세기부터 양자홀효과는 응집물질물리학 분야의 가장 중요한 과학 발견이며 양자홀효과 관련 성과는 4개 노벨상 수장자를 탄생시켰다. 130년 전 미국 물리학자 A.H.Hall은 전류가 흐르는 도체에 전류의 방향과 수직되는 자기장을 가하면 전자의 운동 궤적은 편향됨과 아울러 도체의 수직방향에 전압이 생성됨을 발견하였는데 이러한 현상을 "홀효과"라 한다. 만약 전자를 2차원 평면에 구속시키면 강한 자기장 작용으로 전자는 도체 가장자리에서 규칙적인 1차원 운동을 한다. 기존 양자홀효과는 오직 2차원/준2차원 시스템에서 발생한다. 2016년 10월 슈파셴 프로젝트팀은 최초로 3차원 비소화카드뮴 나노시트를 이용하여 양자홀효과를 관측하였다. 그 후 샘플 제작 과정에서 슈파셴 프로젝트팀이 발표한 경험에 의하여 일본 및 미국 과학자도 동일한 시스템에서 양자홀효과를 관측하였다. 그러나 그 당시 실험 결과를 기반으로 실제 전자 운동 메커니즘을 확정할 수 없다. 프로젝트팀은 2종 가설을 제안하였다. 1) 상부 표면에서 하부 표면으로의 이동 방식으로 전자는 수직 운동을 한다. 2) 전자는 상하부 2개 표면 즉 2개 2차원 시스템에서 각각 독립적 양자홀효과를 형성한다. 프로젝트팀은 3차원 양자홀효과 실험에 착수하였다. 해당 실험은 머리카락 굵기의 1,000분의 1정도밖에 안 되는 실험재료, 번개처럼 빠른 전자 운동 속도 조건에서 수행해야 한다. 프로젝트팀은 쐐기모양 샘플을 이용하여 제어 가능한 두께 변화를 구현하였다. 다음 양자홀 플랫폼에 나타나는 자기장을 측정한 후 공식을 이용하여 양자홀 차원을 추산하였다. 실험 결과, 전자의 운동 궤도 에너지는 샘플 두께의 직접적인 영향을 받았다. 이는 샘플 두께의 변화에 따라 전자의 운동 시간도 변화됨을 의미한다. 그러므로 전자는 샘플 두께와 관련된 수직방향 운동을 하며 따라서 전자의 터널링(Tunneling) 현상을 입증하였다. 전자는 상부 표면에서 4분의 1 라운드 회전한 후 하부 표면으로 이동하여 4분의 1 라운드 회전하며 또 다시 상부 표면으로 이동하여 2분의 1의 폐루프를 형성하는데 해당 터널링 과정에서 소산(Dissipative) 현상이 발생하지 않는다. 그러므로 전자가 전체 회선운동 과정에서 양자화임을 보증할 수 있다. 해당 전체 궤도는 3차원 "바일 궤도"이며 비소화카드뮴 나노 구조에서 양자홀효과의 근원이다. 이로써 3차원 양자홀효과의 비밀을 규명하였다. 본 연구성과를 통하여 비소화카드뮴의 물리적 특성을 심층적으로 연구할 수 있으며 또한 해당 연구는 향후 과학연구 탐색에 실험 기반을 마련하였다. 응용 분야에서 비소화카드뮴은 아주 높은 천이율을 보유하였기에 전자의 전송 및 응답이 아주 빠르므로 적외선 탐측, 전자스핀 분야의 프로토타입 소자에 이용될 수 있다.