기초과학

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.

생체모방합성 방법을 통한 알킬화 최초 구현

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난카이대학 원소유기화학 국가중점실험실 왕칭민(汪清民) 연구팀은 알데히드 또는 케톤으로 질소 함유 방향족 헤테로고리 C-H 결합을 직접 알킬화시키는 방법을 개발해 신약·신소재 개발에 고효율적이고 실용적인 방법을 제공했다. 해당 논문은 "Science Advances"에 게재되었다. 질소 함유 방향족 헤테로고리는 천연산물, 약물, 농약, 유기재료에 광범위하게 존재한다. 선택적 C-H 결합 기능화(functionalization) 방식을 통해 질소 함유 방향족 헤테로고리를 함유한 약물, 농약, 유기재료 분자에 메틸기, 에틸기, 이소프로필기 등 알킬기를 도입하는 것은 약물, 농약, 유기재료 성능 개선에 중요한 의미가 있다. 하지만 자연계에 광범위하게 존재하고 함량도 풍부한 알데히드 또는 케톤을 사용한 질소 함유 방향족 헤테로고리의 알킬화반응 구현은 지금까지 실현 못한 세계적 어려움이다. 구체적으로 해당 반응은 C=O 결합을 끊어야 하는 외 카르보닐화합물과 질소 함유 방향족 헤테로고리의 극성도 매칭되지 않는다. 따라서 카르보닐화합물의 극성을 반전시킴과 아울러 C=O 결합을 끊는 비정규 방안 도출이 필요하다. 생명과정에서 일어나는 생물활성분자의 교묘한 합성은 감탄을 자아낼 정도이다. 최근 화학실험실에서의 생합성 과정 시뮬레이션, 상응 화학전환 유기화합물 고효율적 생체모방합성이 관심분야로 성장되었다. 연구팀은 생명과정에서의 양성자 짝이음 전자전달(PCET) 및 회전중심 전이(SCS)의 고효율성을 감안해 생체모방합성 전략으로 PCET와 SCS를 결합시켰다. 먼저 PCET 과정을 통해 카르보닐기를 활성화시켜 케틸기(ketyl radical)를 획득한 다음 케틸기를 질소 함유 방향족 헤테로고리에 첨가시켰다. 그 다음 SCS 과정을 통해 C-H 결합을 끊음으로써 알데히드 또는 케톤을 사용한 질소 함유 방향족 헤테로고리 알킬화반응을 구현했다. 카르보닐화합물을 알킬 자유기 등가체로 한 반응은 이번이 최초이다. 이로써 알데히드 또는 케톤으로 질소 함유 방향족 헤테로고리 알킬화반응을 구현 못하던 세계적 어려움을 해결했다. 연구팀은 혈중지질 조절약 에토피브레이트(etofibrate), 코르티솔(cortisol) 생합성 억제제 메티라폰(metyrapone), 혈관확장제 밀리논(Milrinone), 항히스타민제 로라타딘(loratadine) 등 약물 그리고 농약, 천연산물 및 재료의 후기 알킬화 수식에 새 방법을 성공적으로 응용하였다.

신기술로 연간 2,000t 저탄소 고효율적 가소제 생산 전망

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중국과학원 다롄화학물리연구소 가오진(高進)/쉬제(徐傑) 연구팀은 산시옌창(陝西延長)석유(그룹)유한책임회사와 공동으로 중국 첫 연간 2,000t "오쏘자일렌(ortho-xylene) 액상산화-에스테르화" 산업시험장치를 구축하여 2019년 7월에 산업시험을 완료했다. 해당 시험장치는 작동하여 72시간 후 오쏘자일렌 전환율이 98%, 디메틸프탈레이트(dimethyl phthalate) 수율이 92.5%, 순도가 99%에 도달했다. 동 기술은 현재 과기성과 검증을 통과했으며 전문가들로부터 자체적 지식재산권을 보유하며 공법이 선진적이고 혁신성이 강할 뿐만 아니라 종합적 기술수준이 세계 선진수준에 도달했다는 평가를 받았다. 프탈레이트 에스테르(phthalate esters)는 주로 가소제로 쓰이며 PVC 등 고무/플라스틱 소재의 가소성, 유연성, 가공성 등 종합성능 향상에 사용된다. 동 기술은 전통적인 가스상 산화(gas phase oxidation) 공법에 비해 산화반응 온도를 160℃~180℃로 낮추었고 디메틸프탈레이트 수율을 12%~17% 향상시켰을 뿐만 아니라 오쏘자일렌 물질소비 및 CO2 배출량을 대폭 감소시킴으로써 프탈레이트 에스테르의 고효율, 안전, 저탄소, 청정화 산업생산에 핵심기술을 제공했다. 아울러 밝은 응용전망 및 양호한 사회적 효익을 달성했다. 이외, 새로 개발한 신형 탑식 산화반응기와 에스테르화 정류 장치는 쉽게 연속·안정적 작동 및 산업적 확장을 달성할 수 있다.

상하이유기화학연구소, 고속대량 유기합성 새 방법 발견

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중국과학원 상하이유기화학연구소 둥자자(董佳家) 연구팀은 안전하고 고효율적이며, 대량 획득이 가능한 1차 아민(primary amine) 화합물에서 시작해 아지드화합물 라이브러리를 직접 합성하는 방법을 발견했다. 해당 성과는 "Nature"에 게재되었다. 다학제적 접근이 나날이 강화됨에 따라 보다 고효율적인 합성을 통한 분자기능 구현이 합성학의 내적수요로 되었다. 기타 화학반응에 비해 클릭화학(Click chemistry)반응은 복잡한 환경에서 고도의 예측가능성을 보유하기에 많은 학제간 융합에 광범위하게 응용되고 있다. 하지만 합성에서 클릭화학반응이 보유하고 있는 독특하고 고도로 예측가능한 반응성 우위는 충분히 구현되지 못하고 있다. 연구팀은 새 육플루오린화황[Sulfur(VI) Fluoride] 교환반응의 기초단위(building block)를 탐색하는 과정에서 보기 드문 플루오린화황류 무기화합물 플루오로설포닐기(fluorosulfonyl group) 아지드(azide)를 안전하고 고효율적으로 합성하는 방법을 의외로 발견했다. 동 화합물은 1차아민 작용기(functional group)에 한해 예상외로 높은 디아조 전이(diazo transfer) 반응성을 나타낸다. 심층 연구를 통해 플루오로설포닐기 아지드를 디아조 전이시킨 후 2상(two-phase) 조건에서 빠르게 가수분해됨을 발견했다. 1차아민은 유기화학에서 다양성이 가장 풍부하고 기초단위 획득성이 가장 높은 작용기이다. 연구팀은 새로 발견한 반응에 기반해 대량 획득이 가능한 1차아민 작용기 분자 기초단위로부터 시작해 대응하는 아지드 기초단위 라이브러리(1,224개)를 96홈판에서 직접 합성했다. 해당 화합물 라이브러리는 분리정제가 필요없기에 1명 인력으로 96홈판에서 임의 지정 터미널 알킨(terminal alkyne) 화합물과의 고리화 첨가 반응(cycloaddition reaction)을 수행할 수 있다. 나아가 직접적 기능 선별도 수행할 수 있다. 연구팀은 기초단위의 다양성 극대화 및 연결의 고도 예측가능성을 달성한 전제 하에 고속대량 합성모델을 구축했다. 연구팀은 플루오로설포닐기 아지드와 1차아민화합물의 디아조 전이반응 과정을 모듈화 클릭화합물라이브러리 방법이라 명명했다. 동 방법은 생물기능의 표현형 선별에 직접 응용할 수 있다. 해당 합성방식에 힘입어 짧은 시간 내 지정 약물 소분자 또는 대분자 기초단위에 대한 10,000회 이상 개조가 가능해졌다. 뿐만 아니라 합성효율의 향상은 약물 선도분자 발견에 직접적 기여를 할 전망이다.

전자과기대학, 새 플라즈마 제트 소스 개발

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전자과기대학 전자과학공학학원 물리전자학부 연구팀은 성공적으로 새 휴대용 플라즈마 제트 소스를 개발하여 대기압에서 저온플라즈마의 안정적인 방전을 달성함으로써 플라즈마가 공기 중에 완전하게 존재하도록 하였다. 해당 성과는 "Applied Physics Letters"에 게재되었다. 플라즈마는 우리 주변에 널리 존재한다. 형광등은 플라즈마 발광체이고 번개는 흔히 보는 플라즈마 방전이다. 플라즈마는 고체, 액체, 기체 등과 마찬가지로 물질의 제4상태이며 물질이 우주에서 존재하는 보편적인 형태이다. 플라즈마 내에는 풍부한 고에너지입자가 있는데 이들 입자는 고에너지 특성을 가지고 활성이 강해 자체 온도가 상온과 비슷한 플라즈마가 물체에 접촉하기만 하면 물체가 플라즈마 고에너지입자의 공격을 받아 물체 표면 특성을 변화시킨다. 플라즈마의 이러한 특성을 암 치료, 피부 표면 처리, 살균 소독 등 분야에 응용할 수 있다. 플라즈마의 지혈 작용을 예로 들면, 플라즈마는 순식간에 손상된 피부에 딱지가 생기게 하여 정밀한 최소침습시술 효과를 달성할 수 있다. 그러나 대기층의 존재로 인해 대기 상태에서 플라즈마는 생성 및 유지가 어렵다. 연구팀은 마이크로파를 이용하여 플라즈마를 여기시키고 플라즈마 제트 소스 내부와 분사구에 특수한 구조를 설계하여 저온플라즈마 제트가 밀폐 배관이 없이 안정적으로 대기 중에 존재하도록 했다. 제트 길이는 2cm 이상이다. 또한, 실험을 통해 구조적 매개변수를 최적화하고 소자의 고효율, 소형화 및 작동 용이성을 구현했다. 이는 대기압에서 저온플라즈마 제트의 응용 영역을 크게 확장시켰다.

창춘광학정밀기계·물리연구소, 푸리에 타이코그래픽 현미경 이미지 복원 알고리즘 제안

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최근, 중국과학원 창춘(長春)광학정밀기계·물리연구소 응용광학 국가중점실험실 액정광학 연구팀은 신경망 구조 기반 복원 알고리즘(FINN-P)을 제안함과 아울러 눈동자 함수의 복원 과정을 이에 도입했다. 해당 알고리즘은 시스템의 눈동자 함수를 정확하게 복원시킬 수 있으며 또한 이를 통해 고해상도 이미지를 재구성하여 알고리즘의 강건성을 향상시키고 광원의 간섭성 및 시스템 수차(Aberration)가 재구성 결과에 미치는 영향을 감소시킨다. 아울러 전통적 알고리즘이 시야 필드(Field of View) 주변부에서 수렴 오류가 발생하는 문제를 성공적으로 해결했다. 해상도 테스트 타깃(Resolution test target) 및 실제 생물표본 이미지를 해당 알고리즘으로 처리할 경우 이미지 품질은 뚜렷하게 향상된다. 해당 성과는 "Neural network model combined with pupil recovery for Fourier ptychographic microscopy"라는 제목으로 "Optics Express"에 게재됐다. 푸리에 타이코그래픽 현미경(Fourier ptychographic microscopy, FPM) 이미징은 최근에 제안된 광시야, 고해상도 이미지를 획득할 수 있는 측정 방법이다. FPM 장치는 광학현미경과 유사하지만 광원을 하나의 LED 어레이로 대체했다. 특정된 순서에 따라 단일 LED 조명을 밝히는 과정에서 카메라로 일련의 저해상도(LR) 이미지를 획득할 수 있다. 다양한 저해상도 이미지는 샘플 스펙트럼의 특정된 서브 영역(Sub region)에 대응되기에 최적화 알고리즘을 통해 주파수 영역의 저해상도 이미지 정보를 융합시켜 시스템의 대물렌즈 한계를 초과하는 해상도를 획득할 수 있을 뿐만 아니라 기존 시야 필드의 고해상도 진폭 및 위상 이미지를 보존할 수 있다. FPM에 사용되는 전통적인 알고리즘(예를 들어 GS, AS)은 일반적으로 시스템의 전달함수를 코히렌트 전달함수(Coherent transfer function, CTF)로 인정한다. 즉 시스템의 이미징 과정을 코히런트 이미징(Coherent imaging)으로 인정한다. 하지만 LED 광원의 부분 간섭성 및 시스템의 수차로 인하여 CTF를 전달함수로 사용할 경우 알고리즘의 수렴성 및 강건성에 영향을 미치기에 수렴 오류 발생을 유발하여 재구성 고해상도 이미지 품질이 비교적 낮다. 해당 오류는 수차가 비교적 큰 주변부 시야 필드에서 특별히 뚜렷하다.

세계 최초 전 광학 다층신경망 발표

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최근, 홍콩과기대학 연구팀은 세계 최초 딥러닝 머신러닝으로 사용할 수 있는 전 광학 신경망을 개발했다. 이는 인공지능이 사물 사이의 관계를 식별하고 위험 평가 등 복잡한 문제를 처리함에 있어서 인간에 더욱 접근함과 아울러 에너지 소모를 대폭 감소하는 전제하에 광속으로 운산할 수 있다. 해당 연구 성과는 "광학"에 게재되었다. 인공지능이 딥 러닝 기술을 파악하려면 비선형 활성화 함수의 다층신경망을 구비해야 한다. 기존의 광전 하이브리드 신경망에서 인간의 뇌 반응 방식을 시뮬레이션하는 비선형 활성화 함수는 주로 전기를 통해 구현되며 이는 광학 네트워크의 명령 주기와 기능을 제한한다. 홍콩과기대학 물리계 두성왕(杜胜望)/류쥔웨이(刘军伟) 연구팀은 최초로 전 광학 다층신경망을 개발하여 대규모 광학 신경망 구축을 위한 첫걸음을 내딛었다. 연구팀은 한계를 극복하기 위하여 냉각 원자 매질 내에서 극히 낮은 레이저 출력으로도 작동 가능한 전자파를 이용하여 투명 효과를 유도함으로써 비선형 활성화 함수를 구현하고 이중층 전 광학 신경망을 구축했다. 효과 테스트를 위해 해당 신경망을 이용하여 축합상태 물리학적 이징모형의 질서 상과 무질서 상을 분류하였는데 그 결과, 고성능 컴퓨터 신경망의 운산 결과와 일치했다. 해당 연구 성과는 아직 개념 검증 테스트에 불과하지만 이는 차세대 광학 인공지능을 표명하며 낮은 에너지 소모로도 쾌속 운산이 가능하다는 것을 보여준다.

난징대학, 광의 파동-입자 이중성 중첩 제어 구현

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최근, 난징(南京)대학 물리학원 마샤오쑹(馬小松) 연구팀은 최초로 단일광자 파동성 및 입자성의 비국소성 영역 중첩 제어를 시연했다. 해당 성과는 "Nature" 자매지인 "Nature Photonics"에 게재됐다. 광(Light)이 입자인지 아니면 파동인지에 관한 논쟁은 여러 세기를 경과했다. 20세기 양자물리학 구축 과정에서 광의 파동-입자 이중성 즉 광은 입자인 동시에 파동이며 파동과 입자의 중첩상태임을 발견했다. 따라서 어떠한 제어 수단을 통해 광자가 요구에 따라 오직 입자성 또는 파동성만 나타내게 할 수 없겠는지에 대한 문제가 제안됐다. 물리학자 존 휠러(John Wheeler)가 제안한 지연 선택실험에 의하면 1명의 외부 관측자는 실험장치 중의 1개 광자 소자에 대한 제어를 통해 단일광자가 파동성 또는 입자성을 나타내도록 능동적으로 선택할 수 있으며 더 나아가 광자가 실험장치에 진입한 후 선택하여도 선택은 여전히 효과적이다. 연구팀은 휠러의 지연 선택실험을 기반으로 새로운 비국소성 영역 양자 지연 선택실험을 제안 및 시연했다. 실험 과정에서 연구팀은 다른 1쌍의 얽힘 광자를 제어 유닛으로 함과 아울러 해당 얽힘 광자를 이용하여 파동성 및 입자성 사이에서 전환되는 실험 주체 광자를 제어했다. 엄격한 비국소성 영역 양자 제어를 구현하기 위해 제어 유닛을 실험 주체 유닛과 멀리 떨어져 있게 했다. 다시 말해서 "아이슈타인 비국소성" 조건을 만족시켰다. "아이슈타인 비국소성" 조건을 구현하기 위해 공간 및 시간상에서 실험기기에 대한 정밀 제어가 필요하다. 연구팀은 광학기기를 캠퍼스 내의 2개 실험실에 배치했으며 광신호 및 전기신호의 시계열에 대하여 정밀하게 설치했다. 동 실험은 광은 파동성 또는 입자성의 양자중첩 상태로 존재할 수 있음을 입증함과 아울러 해당 파동-입자의 양자중첩 상태에 대한 제어 가능성을 입증했다. 이는 양자광학 및 양자정보처리 연구에 새 방법을 제공했다.