기초과학

"나선형 광선"으로 이미지 정보 저장 능력을 100배 향상

/
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

/
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

/
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

/
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

/
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

/
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

/
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

/
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

/
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

/
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.