기초과학

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.

세계 최고 자기장초전도자석 개발

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중국과학원 전기공학연구소 왕치우량(王秋良) 연구팀은 자체 개발한 고온 보간 자석 기술을 이용하여 중심자기장이 32.35테슬라(T)에 달하는 완전초전도자석을 개발했다. 이는 2017년 12월에 미국 국가강자기장실험실에서 개발한 32.0테스라 초전도자석의 세계 기록을 갱신함으로써 중국의 고자기장 보간 자석 기술을 세계 최고 수준에 도달시켰다. 기존에 저온초전도자석에 의해 생성된 자기장은 최고 강도가 약 23.0테슬라였다. 연구팀은 새로운 초전도 코일과 지지 구조를 설계 구축하여 코일의 전체 엔지니어링 전류 밀도와 국부 안전 여유를 향상시키고 축방향 탄성 지지 구조와 벤딩 장치를 이용하여 초전도 접합의 국부 응력집중 저항력을 향상시켜 극고자기장 보간 자석의 전자기 안전 여유도와 응력 안전 여유도를 대폭 향상시켰다. 테스트 결과, 해당 초고자기장 초전도자석은 액체 헬륨에 침지한 상태에서 32.35테슬라의 중심자기장을 생성했고 32.35테슬라 완전초전도자석에서의 안정적인 작동을 달성했다. 또한, 핵심 기술 매개변수는 모두 종합극한조건실험장비 국가중대과학기술 인프라 프로젝트의 극한강자기장에 대한 요구에 부합된다. 해당연구 성과는 세계 일류 수준의 종합극한실험장비 사용자를 위해 서비스를 제공하고 중국의 물질과학 분야에서 새로운 물질상태, 현상, 규칙 등 기초 연구와 응용 연구를 위해 가장 선진적인 강자기장 실험 조건을 제공할 전망이다.

유체 금속성 수소 합성

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중국과학원 허페이(合肥)물질과학연구원 고체물리연구소 극한환경양자물질센터 연구팀은 극한 고온고압 조건에서 수소와 중수소의 금속상태를 성공적으로 획득했다. 해당 성과는 "Advanced Science"에 게재됐다. 이는 연구팀이 유체 금속성 질소(Metallic nitrogen)를 성공적으로 합성한 후 가벼운 원소 고압 연구에서 달성한 또 하나의 중요한 성과이다. 2015년과 2018년에 미국의 2개 실험실은 수소와 중수소의 유체 금속상태를 관찰했다. 해당 성과는 2015년과 2018년에 "Science"에 게재됐다. 하지만 해당 2가지 연구결과는 온도 및 압력 곡선 차이가 매우 크기에 유체 금속성 수소의 존재 영역을 정확하게 확정할 수 없다. 연구팀은 전단계 연구를 바탕으로 다이아몬드 앤빌셀(Diamond anvil cell)을 기반으로 하고 펄스 레이저 가열 기술을 결합하여 실험실에서 지구핵을 시뮬레이션 할 수 있는 극한 온도압력 조건을 구축함과 아울러 기체상태 수소와 중수소를 유체 금속상태로 성공적으로 전환시켰다. 뿐만 아니라 초쾌속 브로드밴드 초연속 스펙트럼을 이용해 샘플의 광학적 흡수, 반사 특성을 탐측함으로써 유체 금속성 수소와 중수소의 광, 전기 등 물리적 특성을 규명했다. 해당 연구는 유체 금속성 수소 및 중수소의 존재 영역을 확정함과 아울러 해당 금속상태는 매우 넓은 고온고압 반금속 영역을 경과해야만 획득할 수 있음을 심층적으로 입증했다.

새로운 간섭 단일분자 위치결정 현미경 기술 개발

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중국 과학자는 쾌속 변조 기반 구조형 광을 이용해 반복적 광선택성 노출(Repetitive Optical Selective Exposure, ROSE)이라고 부르는 새로운 간섭 단일분자 위치결정 현미경 기술을 개발했다. 해당 성과는 "Nature Methods"에 게재됐다. 21세기에 들어선 후 다양한 고해상도 형광 이이징 기술의 개발과 더불어 광학 현미경의 해상도 한계를 깨뜨림으로써 해상도를 수십 나노미터 규모로 향상시켰다. 하지만 광학 현미경의 해상도를 분자 수준으로 더한층 향상시켜 나노미터 규모의 하위 세포 구조 더 나아가 단일 생물 대분자 내의 구조 관찰은 어려움으로 되고 있다. ROSE는 6가지 다양한 방향 및 위상 간섭무늬를 이용해 형광 분자를 여기시킨다. 형광 분자의 발광강도는 형광 분자가 위치한 무늬의 위상과 관련되기에 형광 분자 강도와 간섭무늬의 위상 관계를 통해 형광 분자의 정밀 위치 정보를 판단할 수 있다. 해당 방법의 이론적 위치결정 정밀도는 재래식 방법의 2.4배이다. 동 기술은 도트피치(Dot pitch)가 5nm인 DNA 오리가미(DNA origami) 어레이를 식별할 수 있으며 현미경의 해상도를 3nm 이내의 분자 규모로 향상시킬 수 있고 단일분자 위치결정 정밀도를 1nm에 접근시킬 수 있다. 하지만 재래식 방법으로는 20nm 어레이까지밖에 식별하지 못한다. ROSE 현미경은 생명과학 연구에 강유력한 관찰 방법을 제공함과 아울러 광학 현미경의 해상도를 현재의 한계에서 벗어나게 했다.

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.