최근 중국항천과공그룹(CASIC) 제2연구원 207연구소 연구팀은 테라헤르츠 시간 영역 광스펙트럼 시스템 쾌속 스캐닝 모듈을 개발해 광스펙트럼 스캔 속도를 대폭 향상시킬 전망이다. 음성 코일 모터(voice coil motor) 기반 시간 지연선(Delay line)과 고속 데이터 수집시스템으로 구성된 해당 모듈은 1회 파형(100ps) 스캔 시간을 기존의 15분에서 0.25초로 단축 가능하며 샘플링률을 4헤르츠에 도달시킬 수 있다. 테라헤르츠 시간 영역 광스펙트럼 기술은 근년에 개발된 테라헤르츠 주파수대 광스펙트럼 측정 기술이다. 2003년에 컬럼비아 우주왕복선은 외부 연료탱크의 폼단열층 탈락으로 폭발되었다. 해당 사고 조사시 테라헤르츠 시간 영역 광스펙트럼 기술로 연료탱크 단열폼의 내장결함을 성공적으로 검출해 동일 유형 탐측에서 가장 효과적인 방법으로 간주되고 있다. 테라헤르츠는 대부분 비금속, 비극성재료에 대해 양호한 투과력을 보유한다. 미국은 테라헤르츠 시간 영역 광스펙트럼 시스템으로 F-35 전투기의 특수 코팅층을 검사하기도 했다. 해당 기술은 코팅층을 쉽게 투과할 수 있을 뿐더러 코팅층의 두께도 측정할 수 있기에 제조 및 유지보수 효율을 대폭 향상시킬 수 있다. 많은 대분자의 회전, 진동 에너지 준위 모두 테라헤르츠 주파수대에 위치하므로 테라헤르츠 시간 영역 광스펙트럼 기술은 민간 영역에서 매우 광범위하게 응용되고 있다. 예를 들어 동 기술로 마약, 폭발물의 종류를 효과적으로 식별할 수 있는데 흔히 볼 수 있는 첨가물이 혼합돼 있더라도 검사 결과에 영향이 없다. 이외 해당 기술은 재료 브로드밴드 투사, 산란 특성 측정은 물론 재료 브로드밴드 전자기 파라미터도 획득할 수 있어 테라헤르츠 주파수대 재료특성 연구에 이용 가능하다. 하지만 광스펙트럼 스캔 속도가 해당 기술의 보급 및 응용을 일정 정도 제한하고 있다. 특히 중국의 관련 업체에 있어 어떻게 광스펙트럼 스캔 속도를 향상시킴과 더불어 시스템의 신호대잡음비 무손실을 보장할지가 기술적 어려움이다. 207연구소는 이번에 개발한 쾌속 스캐닝 모듈을 테라헤르츠 재료 파라미터 측정시스템 및 테라헤르츠 주파수대 레이더 산란 단면적 측정시스템에 응용해 데이터 실시간 획득능력을 높이는 등 해당 기술의 응용폭을 넓힐 예정이다.

최근, 중난(中南)대학 류민(劉敏) 연구팀은 캐나다 Edward Sargent 연구팀, 중국 타이완(臺灣)과기대 황빙자오(黃炳照) 연구팀 등은 공동으로 금속 퀀텀닷(Quantum dot)에서 이산화탄소를 최초로 “포획”함으로써 이산화탄소 환원 효율을 200% 이상 향상시켜 탄소순환 이용 효율을 대폭 제고했다. 해당 연구성과는 “Joule”에 게재됐다. 전기화학적 환원을 이용해 온화한 제어조건에서 이산화탄소를 유용한 탄화수소 연료 및 화학용품으로 환원시킬 수 있다. 이는 대기 중의 이산화탄소를 “포획”하고 이산화탄소 순환이용을 달성하는 효과적인 경로이다. 하지만 촉매 선택이 어려움으로 되고 있다. “퀀텀닷”이라고 불리는 중요한 저차원 반도체 재료에는 대량의 광전기 성능 하강을 유발하는 “결함 위치”를 함유하고 있다. 해당 “결함”은 촉매 활성을 개선시킬 수 있다. 하지만 해당 특성은 일반 금속 촉매에 이용되기 어렵다. 공동 연구팀은 황화물 퀀텀닷 원위치 전기화학적 환원을 통해 고배율 금속 공격자점(Vacancy) 퀀텀닷의 제조를 달성함과 아울러 이산화탄소 환원 분야에 응용했다. 해당 퀀텀닷에서 유도된 촉매는 3~5nm의 크기를 유지하지만 금속 공격자점을 최대로 20% 보유하며 또한 금속 퀀텀닷에서 양호한 원자급 분산을 나타낸다. 따라서 이산화탄소 환원반응에 적합한 원자구조 및 전자구조를 제공할 수 있다. 수백 시간의 이산화탄소 환원 반응 과정에서 해당 촉매는 양호한 촉매 활성을 유지하며 성능은 기존 촉매의 2배 이상 초과했다. 검증 결과, 해당 종류의 촉매는 금, 은, 구리, 납 등 다양한 금속에 양호한 적합성을 나타냄으로써 이산화탄소 순환이용에 잠재적 응용을 가져다줄 전망이다.

최근 중국과학기술대학 위수훙(俞書宏)/가오민루이(高敏銳) 연구팀은 전통프러시안블루(PBA) 재료에 대한 질소가스 플라스마 충격(Plasma bombardment)을 통해 시안기 공석을 풍부히 함유한 고효율 산소발생반응 촉매를 성공적으로 개발했다. 해당 시안기 공석은 PBA 재료의 국지 전자구조 및 금속 배위환경을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 전기순환 과정에서 철 활성종의 유실을 고효율적으로 억제할 수 있다. 해당 연구성과는 “Nature Communications”에 게재되었다. 산소발생반응(OER)은 광/전기 가수분해, 금속공기전지 등 신에너지 저장 및 전환장치의 핵심 반쪽반응(half reaction)이다. 저렴하고 고효율적인 산소발생반응 전기촉매의 개발은 전극 과전위를 더한층 낮추고 장치 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 주요 경로이다. 재료결함공학은 촉매의 전기음성도, 전하분포 및 배위환경 등 조절이 가능해 촉매 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있는 전략으로 여겨지고 있다. 신형의 결함구조 설계 및 새 활성배위 형식 도출을 통해 기존 촉매재료의 촉매성능을 더한층 최적화할 수 있다. 연구팀은 몰리브덴산니켈 나노막대를 템플릿으로 하여 다공성 니켈-철 기반 PBA재료를 제조했다. 그 다음 해당 재료에 대한 질소가스 플라스마 충격을 통해 시안기 공석을 풍부히 함유한 PBA 촉매를 획득했다. 연구팀은 고해상도 투과전자현미경, 양전자 소멸기술, 원소 함량분석, 배기가스 흡수검사 등 다양한 특성화 수단을 통해 해당 신형 시안기 공석의 형성을 확인했다. 전기화학적 테스트 결과, 60분 동안 질소가스 플라스마 충격을 거친 PBA 샘플은 최상의 산소발생반응 활성을 나타냈는데 이는 기타 고효율 산소발생반응 촉매에 비해 훨씬 우수했다. 구조 분석 결과, 높은 산소발생반응 활성은 시안기 공석이 유도 발생한 불포화 니켈-철 부위에서 비롯되었다. 심층 연구를 통해 시안기 공석을 함유하지 않는 PBA 재료의 철 활성종은 점차 전해액에 용해되며 반대로 시안기 공석을 함유한 PBA 재료는 철 활성종의 유실을 대폭 억제함으로써 산소발생반응 순환과정에서 높은 활성의 표면 활성층을 자가 재구성적으로 형성해 우수한 OER 활성 및 안정성을 보유함을 발견했다. 해당 성과는 높은 활성의 니켈-철 수산화물 제조에 새 전략, 새 결함유형 개발에 새 참고정보, 보다 고효율적인 산소발생반응 촉매 설계에 참신한 아이디어를 제공했다.

최근, 중국과학원 허페이(合肥)지능기계연구소 지능마이크로나노소자 연구팀은 고효율 비색 형광나노탐침을 제조했다. 해당 탐침을 기반으로 제조한 형광 시험지의 색상 변화를 근거로 수중 납이온 함량을 신속하게 예비 판단할 수 있다. 해당 연구성과는 “Analytical Chemistry”에 게재됐다. 전통적인 검출 방법으로 수중 납이온의 함량에 대한 정밀 및 선택성 분석을 수행할 경우 기기 가격이 비싸고 검출 주기가 길 뿐만 아니라 전문 인력을 필요로 하기에 현장 검출에서의 응용을 제한한다. 연구팀은 청색 및 적색 탄소점(Carbon spot)을 적합한 비율로 혼합하여 새로운 비색 형광탐침을 개발했다. 해당 탐침으로 제조한 형광 시험지로 액체 중 납이온을 검출할 수 있다. 액체에 납이온이 존재할 경우 청색 탄소점 형광은 소실되지만 적색 형광은 변화되지 않으며 자외선 램프(Ultraviolet lamp)로 조사하는 조건에서 뚜렷한 청색에서 적색으로의 색상 변화를 관찰할 수 있다. 시험지의 색상 값과 색상코드표 또는 핸드폰의 색상 식별 소프트웨어와 비교하여 현장에서 납이온 함량에 대한 시각화, 실시간, 반정량화 검출을 달성할 수 있다. 해당 형광 시험지는 저독성 탄소점으로 제조했기에 친환경적일 뿐만 아니라 저장, 휴대가 편리하고 사용 방법이 간단하며 5분 내에 수중 납이온을 신속 검출할 수 있다.

최근, 샤먼(廈門)대학/란저우(蘭州)대학 공동 연구팀은 세계 최초로 1억 V/m의 고강도 방향성 전기장을 이용하여 나노 규모 반응기에서 단일 분자의 화학반응 속도에 대한 선택성 제어를 구현함으로써 미래 청정에너지 기반 친환경 화학합성에 새 아이디어를 제공했다. 해당 연구성과는 "Science Advances"에 온라인으로 게재됐다. 번개는 자연계의 신기한 현상으로서 거대 에너지를 보유하고 있다. 번개의 국지적 전기장 강도는 100만 V/m 이상에 달한다. 이러한 강한 전기장 조건에서 일련의 화학반응이 발생할 수 있다. 따라서 과학자들은 강한 방향성 전기장을 제조하여 화학반응을 정밀 제어함으로써 인류를 위해 서비스를 제공하는 방안을 모색하고 있다. 화학반응에 대한 선택성 제어를 통해 친환경, 경제적인 화학품 생산을 구현할 수 있다. 방향성 전기장 촉매작용은 고효율 제어 능력을 보유한 친환경 기술이다. 이론적 연구에 의하면 외부 자기장 방향과 화학반응에서 활성화 화학결합 방향의 협각을 변화시킬 경우 선택적으로 화학반응을 제어할 수 있기에 고효율 청정 친환경 화학합성을 달성할 수 있다. 하지만 해당 이론 예측은 실험적 검증이 되지 않았다. 연구팀은 세계 최초로 고강도 방향성 전기장 조건에서 화학반응속도를 연구할 수 있는 정밀 과학기기 기술을 개발했다. 연구팀은 해당 기기를 이용해 1개 유기분자를 일정한 방향으로 2개 원자급 규모의 전극 사이에 연결시켜 화학반응에서 분자의 방향성 제어 문제를 해결했다. 해당 과정에서 연구팀은 단일 분자 에너지에서 생성된 강도가 번개의 전기장 강도보다 2~3개 수량급이 높은 고강도 방향성 전기장을 획득했다. 또한 1개 나노 규모의 반응기에서 가해진 고강도 방향성 전기장은 전기장의 반응축 방향에서 분량 화학반응이 존재함과 아울러 반응속도 면에서 1개 수량급을 초과하는 수준으로 뚜렷하게 향상됨을 발견했다.

최근 윈난천문대 류제잉(劉傑英)/마오지룽(毛基榮) 연구원은 초장 감마선 폭발원—GRB 130925A 잔광의 X선 열방사 기원에 대한 이론적 해석을 통해 해당 폭발원의 10keV 이상 열 X선 방사는 금속이 풍부한 먼지 항성풍의 열 제동방사 과정에서 기원한다고 추정했다. 관련 연구 성과는 "The Astrophysical Journal"에 온라인으로 게재되었다. 감마선 폭발은 우주에서 가장 강렬한 폭발 현상으로서 그 방사 지속 시간은 수 밀리초에서 수천 초까지 다양하다. 일반적으로 폭발 단계의 방사를 순간 방사라고 부르고 폭발 완료 후 X선, 광학, 전파 등 낮은 에너지 영역의 지속적 장시간 방사를 잔광이라 부른다. X선 잔광 단계의 방사 스펙트럼은 흔히 비열적 멱법칙 분포를 나타내며 상대론적 전자의 싱크로트론 가속방사에서 비롯된다. 최근 일부 X선 잔광 관측에서 열 성분이 발견되었다. 광학두께의 흑체방사가 해당 열 성분의 정합에 사용될 수 있지만 잔광에서 광학두께의 상황이 발생하기는 어렵다. 연구팀은 제동방사(bremsstrahlung)를 이용한 GRB 130925A에 대한 X선 열 성분 이론적 분석을 통해 해당 과정은 초장 폭발이라고 주장했다. 제1차 폭발주기는 약 900초 지속되며 두 번째 폭발주기는 2,000~3,000초에 달한 것으로 나타났다. 기존의 연구는 해당 폭발원의 선조별(progenitor star)이 청색 초거성 또는 적색 초거성이라고 주장하는데 이는 잔광 방사가 매우 큰 화구반경(radius of fireball)에서 발생함을 의미한다. 이외, 해당 폭발원의 숙주은하(host galaxies)는 소광이 심하며 높은 금속 존재비 특성을 보유한다. 이러한 환경은 풍부한 전리입자(ionizing particle)를 제공할 수 있다. 해당 폭발원 폭발 1.8일 후의 두 그룹 X선 방사 데이터 분석을 통해 연구팀은 충격파가 폭발원 중심으로부터 일정 거리 떨어진 항성풍 물질을 통과시 물질의 온도 상승 및 입자의 효과적인 전리를 초래하며 제동방사 냉각 평형을 거쳐 잔광 단계의 X선 방사가 발생한 것으로 추정했다. 이외, 방사 스펙트럼 비교를 통해 주변 항성풍의 수 밀도(number density) 및 전자 온도를 확정했다. 해당 연구는 유사 X선망원경으로 초장폭발을 관측하는 방법을 통해 감마선 폭발 선조별의 물리적 과정 및 그 주변 환경을 완전하게 정립할 수 있음을 시사한다.

최근 중국과학원 허페이물질과학연구원 고체물리연구소 리웨(李越) 연구팀은 계층적 헤테로구조 Ni3Se4@NiFe 하이드로탈사이트(hydrotalcite) 나노시트 제조 및 완전가수분해 연구에서 새 성과를 거두었다. 해당 성과는 "나노세계"에 게재되었다. 해당 연구는 저원가 고활성 이중기능 물전기분해 촉매 개발에 효과적인 설계 아이디어를 제공했다. 물전기분해 규모화 응용의 핵심은 양극 산소발생반응(OER) 및 음극 수소발생반응(HER)의 과전위를 낮추어 저전위 조건에서 대전류 수소생성을 달성함과 아울러 전력소비 및 수소생산원가를 절감하는 것이다. 기존의 연구에 의하면 Ru, Ir, Pt 등 귀금속 및 그 산화물은 가장 우수한 수소발생 촉매성능을 보유하지만 비싼 가격 및 자원 결핍으로 인해 해당 재료의 광범위한 응용을 제한한다. 따라서 저가의 고효율 비귀금속 물전기분해 촉매 개발은 매우 중요한 과학적 의미와 실용적 가치가 있다. 기존의 촉매는 일반적으로 한 가지 반응(OER 또는 HER)에만 높은 촉매활성을 나타내기에 물전기분해 반응은 두 가지 서로 다른 유형의 촉매를 필요로 한다. 이는 물전기분해 설비의 복잡화와 운영비용 증가를 초래한다. 만약 서로 다른 기능의 촉매를 1개 계층구조의 헤테로구조 나노재료에 조립해 이중기능 완전가수분해 촉매를 구축한다면 상기 문제를 효과적으로 해결할 수 있다. 연구팀은 간단한 2단계 수열합성법을 통해 수소발생성능을 보유한 Ni3Se4 나노시트와 산소발생성능을 보유한 NiFe를 계층적 구조를 보유한 이질적 완전 가수분해 촉매로 조립했다. 해당 촉매는 안정적인 계층적 구조 및 촉매 간 전자상호작용으로 인해 우수한 완전가수분해 활성을 보유한다. 또한 완전가수분해 전류밀도가 10mA/cm2일 경우 소요전압은 1.54V 밖에 안 되며 연속 100시간 작동 후에도 뚜렷하게 감쇠되지 않는 등 양호한 안정성을 입증했다.

최근 중국과학기술대학 두장퍼(杜江峰) 연구팀은 세계 최초로 패리티(parity)-시간 대칭을 관측했다. 해당 관측 방법 및 그 과정은 전통 양자시스템에서의 양자시스템 제어 방법을 뒤집었고 양자시스템 상호작용에 대한 이해를 심화시켰는바 향후 미시적 세계의 기이한 성질을 더 많이 인식하는데 일조할 전망이다. 넓고 아득한 우주에는 무수히 많은 일반적 대칭성 또는 기이한 대칭성이 존재한다. 공간을 대표하는 "우(宇)"와 시간을 대표하는 "주(宙)"는 그 자체가 한 쌍의 대칭성이다. 과학계는 물질이 동시에 시간과 공간의 대칭을 만족시킬 경우 패리티-시간 대칭을 충족시킨다고 주장한다. 물질의 각종 기이한 특성을 연구하기 위해 과학계는 다양한 방법을 이용하여 패리티-시간 대칭 상태를 제어한다. 고전물리 세계에서 이미 패리티-시간 대칭상태에 대한 제어를 구현했다. 하지만 양자 세계에서의 구현은 매우 어렵다. 양자역학의 이론에 의하면 양자시스템에서의 패리티-시간 대칭상태 구현 경로가 매우 협소하고 어렵다. 예를 들어 양자역학의 세계에서 "갑"이 현재의 자기 시간적 및 공간적으로 모두 대칭되는 자신으로 변하려면 가시덤불로 얽힌 좁고 질퍽한 길을 개척해야 하는데 이는 거의 불가능한 일이다. 두장펑 연구팀은 단일 스핀시스템에서의 양자제어 연구에 진력했다. 연구팀은 다이아몬드의 1개 "질소 빈자리 결함"(nitrogen-vacancy)에서 전자스핀을 제어하여 시스템 비트(Systematic bit)로 함과 아울러 핵스핀(nuclear spin)을 교묘하게 도입해 보조적 비트로 함으로써 해당 분야에서 실현한 적이 없는 전자스핀의 패리티-시간 대칭 제어를 구현했다. 연구팀은 특수한 소세계를 구축했고 또한 "을"을 창조했다. "을"은 "갑"을 이끌고 완전 다른 길을 개척할 수 있다. 비록 이 길이 굴곡적이고 예사롭지 않지만 은연 중 대칭성을 내재하고 있다. 해당 연구는 비전통적 양자시스템의 기이한 물리현상을 더한층 연구하는데 튼튼한 토대를 닦았다.

최근, 시안(西安)교통대학 전기통신학부 천펑(陳烽) 연구팀은 홍콩성시대학(CityU HK) 왕리다이(王立代) 연구팀과 공동으로 "압축 초고속 시간분광 이미징 기술(초고속 압축 이미징으로 약칭)"을 제안함으로써 프레임률, 프레임수 및 정밀 분광 이미징 등 분야에서 기존의 초고속 이미징 기술의 한계를 극복하고 광자의 운동을 성공적으로 포착했다. 해당 연구성과는 "Physical Review Letters"에 게재됐다. 연구팀이 제안한 초고속 압축 이미징 기술은 화학반응 과정의 원자 운동, 초단 레이저 펄스(Ultrashort laser pulse)가 재료에 작용시 발생하는 과도상태 비선형 과정 등 다양한 미지의 과도상태 과정을 연구하는 핵심 기술이다. 초고속 압축 이미징은 펨토초 레이저를 통하여 디지털 부호화를 수행함과 아울러 시간 및 분광 차원에서 압축 및 압축해제를 수행할 수 있기에 고속, 고프레임수 및 고분광 해상도를 동시에 구현할 수 있다. 초고속 압축 이미징의 초고프레임률은 3.85THz(1THz=1,012Hz), 해상도는 서브 nm급 초고분광 해상도에 달할 수 있다. 연구팀은 해당 초고속 압축 이미징 기술을 통하여 펨토초 레이저 펄스의 전파, 반사 및 자기 집속(Self-focusing) 등 지속 시간이 33피코초에 달하는 초고속 물리 과정을 실시간으로 기록했다. 초고속 압축 이미징의 기본 원리는 펨토초 레이저 시간-분광 상호 결합 원리이며 주로 3개 핵심 단계를 통하여 구현한다. 1) 펨토초 레이저의 풍부한 주파수 성분을 이용하고 색분산을 통하여 다양한 파장을 시간영역으로 확장시켜 하나의 "쳐프 펄스(Chirped pulse)"라고 부르는 고속 시계열을 형성한다. 2) 해당 확장된 시계열은 측정된 과도상태와 상호작용한다. 이로써 다양한 파장 성분으로 초고속 과정의 다양한 시간 정보를 기록할 수 있다. 3) 해당 시계열에 대한 2차원 공간 부호화를 수행함과 아울러 색분산을 이용하여 다양한 분광 정보를 하나의 2차원 평면에 압축시키며 또한 CCD를 이용하여 수집한다. 최종적으로 알고리즘을 이용하여 한 폭의 2차원 CCD 이미지를 시공간적 차원을 보유한 여러 폭의 초고속 이미지로 재구성한다. 해당 연구성과는 장시간, 광대역 분광 기반 펨토초 영상 기록이 가능하게 하였으며 더욱 많은 초고속 과정과 관련된 극단 물리학(Extreme physics), 화학, 재료 및 생물학 연구를 추진할 전망이다.