기초과학

중국과기대, 단일분자 전기적 상향변환 발광의 실험적 관찰 및 메커니즘 연구 성과

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최근 중국과기대 단일분자과학팀 둥전차오(董振超) 연구팀은 주사터널현미경(STM)으로 유도한 단일분자 전기장발광기술을 사용해 최초로 전기적 여기 조건에서 단일분자 상향변환 발광 거동을 또렷이 구현했다. 그리고 선전(深圳)대학 리샤오광(李曉光) 연구팀 등과 공동으로 그 미시적 메커니즘을 이론적으로 규명했다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"에 온라인으로 게재되었다. 상향변환 발광이란 일반적으로 재료가 저에너지 광자를 흡수해 고에너지 광자를 방출하는 안티스토크스(anti-Stokes) 과정을 가리키는데 해당 현상은 레이저정보기술, 적외선 탐측, 생명의학 등 분야에 응용전망이 밝다. 전기적 여기 상향변환 발광 과정에서 유기분자는 STM으로 주입한 저에너지 전자를 흡수하는 한편 릴렉세이션(relaxation) 과정에서 고에너지 광자를 방출한다. 해당 과정은 분자의 전자상태, 분자 간 및 분자와 주변환경 간 상호작용과 연관이 있다. 이 같은 상호작용 및 규제와 관련한 미시적 과정에 대한 심층적 이해는 유기광전변환소자, 광촉매 및 광합성 등에서의 응용에 있어 매우 중요한 의미가 있다. 중국과기대 단일분자과학팀은 STM 고공간해상도 특성화 및 광학기술적 고민감 탐측을 결합시키는 기술을 장기적으로 연구했다. 특히 터널접합 나노캐비티 플라스몬의 브로드밴드, 국지적 및 증강특성에 대한 교묘한 조절을 통해 측정 한계를 확장시킴으로써 단일분자 수준의 관측 및 분자 광전거동 조절에 유력한 수단을 제공했다. 연구팀은 고도 국지화된 터널링 전자를 여기원으로 사용해 염화나트륨 디커플링층 표면의 단일 프탈로시아닌 분자의 전기장발광 연구를 통해 비정상 전기적 상향변환 발광 현상을 발견함과 아울러 분자발광 강도의 3개 서로 다른 바이어스 영역을 또렷이 구현했다. 더욱이 중요한 점은 단일분자 수준에서 전기적 상향변환 발광 현상을 관측함으로써 동일 유형 시스템 상향변환 메커니즘과 관련한 일부 추측을 잠재웠다. 이외, 서로 다른 바이어스 영역 관측은 상향변환 메커니즘을 분석·이해하는데 풍부한 데이터를 제공했다. 이에 기반한 이론적 분석으로부터, 두 가지 서로 다른 분자 여기 메커니즘(비탄성 전자산란 및 캐리어 주입) 간 미묘한 경쟁은 서로 다른 바이어스 영역에서 다양한 발광 현상을 유발함을 알 수 있다. 연구팀은 상기 두 가지 여기 메커니즘 및 시스템의 기타 잠재적 여기상태에 대한 정량적 분석을 기반으로 스핀 삼중항상태(triplet state)를 중간 과도상태로 함과 동시에 두 가지 여기(비탄성 전자산란 및 캐리어 주입) 과정을 결합시킨 단일분자 상향변환 발광 메커니즘을 최초로 제안했다.

中, 수심 1만 m 심해의 동물체내에서 인위적 핵폭발 신호 발견

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최근, 중국과학원 광저우(廣州)지구화학연구소, 중국과학원 해양연구소, 중국과학원 심해과학·공학연구소 및 상하이해양대학 등은 공동으로 14C 동위원소로 옆새우의 물질 유래를 추적하여 최초로 수심 11,000m 심해에서 서식하는 옆새우 체내에서 핵폭발 14C 신호를 발견하였다. 해당 연구성과는 "Geophysical Research Letters"에 온라인으로 게재되었다. 해구 저부(Bottom)는 생물 서식이 적합하지 않다고 주장하고 있다. 그러나 최근 탐사에서 해구 저부에 많은 매크로 생물, 미생물 활동이 존재하며 더 나아가 주변의 해구가 아닌 지역에 비하여 더욱 강렬함을 발견하였다. 연구팀은 해구의 열악한 환경에서 생물의 서식 방식, 서식에 필요한 물질 유래, 인간 활동이 초심해대에 미치는 영향을 파악하기 위해 서태평양 3개 서로 다른 깊이의 해구에서 서식하는 옆새우의 유기물 성분에 대하여 14C 추적 연구를 수행하였다. 결과, 세계 최대 수심[마리아나 해구 "챌린저 디프(Challenger Deep)"]에서 서식하는 옆새우를 포함한 모든 옆새우 체내에서 모두 뚜렷한 핵폭발 14C 신호를 발견하였는데 이는 옆새우는 거의 완전히 표층 물질의 공급에 의존함을 의미한다. 해구 지역 표층의 생산력은 일반적으로 낮으며 또한 깊이가 깊어짐에 따라 저부에 도달할 수 있는 물질이 아주 제한되었기에 저부에 바이오매스를 공급할 수 없다. 따라서 옆새우는 표층 물질에 완전히 의존하는데 이는 옆새우의 신진대사율이 아주 낮고 물질 소모 속도가 늦으며 또한 자체 물질이 생물에 의하여 순환적 재이용될 수 있음을 의미한다. 14C는 추적에 이용되는 외에 또한 연한을 확정할 수 있는 우수한 수단이다. 표층 해수 핵폭발 14C 곡선과 비교한 결과, 옆새우 샘플에서 최대 성장 시간은 10년 이상(옆새우 샘플의 체장은 9cm)임을 발견하였다. 일반적으로 생물의 근육조직은 가장 적합한 연한 확정 재료가 아니다. 하지만 해구 옆새우 근육 조직의 14C 함량은 체장과 아주 밀접한 관련성을 보유하고 있는데 이는 해구 옆새우 근육 조직의 갱신주기가 비교적 길다는 것을 의미한다. 때문에 14C에 의하여 성장 시간을 확정할 수 있다. 일반적으로 천해 옆새우의 최대 체장은 1~2cm이고 수명은 1~2년이지만 해구 옆새우의 체장은 34cm에 달하는데 이는 해구 옆새우의 연령이 천해 옆새우에 비하여 1개 수량급이 높음을 의미한다. 연구 결과, 심해 옆새우의 수명은 천해 옆새우에 비하여 뚜렷하게 길었는데 해당 변화는 가능하게 해구의 열악한 환경에 적응하기 위한 생물의 진화와 관련된다. 해당 현상의 잠재적 메커니즘은 다학제 간 협력을 통한 심층 연구가 필요하다. 이는 인간이 생물진화 및 생명과학 등 분야에 대한 이해 증진에 도움된다. 해당 연구는 세계 최대 깊이 해양 매크로 생물의 14C 함량에 대한 최초의 보고로서 방사성물질, 잔류성 유기오염물질 및 미세 플라스틱 등 각종 인위적 오염물질이 해양 최대 깊이에 침입하여 해구의 생태안전에 영향을 미치고 있음을 해석하였다.

중국파쇄중성자원, 물질구조 탐색의 "슈퍼현미경"

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최근 홍콩대학교 황밍신(黃明欣) 연구팀은 광둥성 둥관(東莞)의 중국파쇄중성자원(CSNS)을 이용해 다양한 조직구조 및 변형조건에서 고강도강의 중요한 미시적 파라미터 정보를 획득했다.동 CSNS 범용 분말회절장치는 중국과학원과 광둥성이 공동으로 구축한 것으로서 영국, 미국, 일본에 이어 세계 네 번째 펄스형 파쇄중성자원 장치이다. 파쇄중성자원은 파쇄반응을 통해 중성자를 발생하며 중성자 산란 기술을 이용해 연구를 수행한다. "슈퍼현미경"으로 불리는 파쇄중성자원은 물질의 미세구조 및 동적상태를 탐색하는 유력한 수단이다. 중성자는 전하를 띠지 않기에 전하를 띤 양성자와 전자의 저해를 쉽게 받지 않으므로 여타 탐사방식에 비해 더 쉽게 물질을 투과할 수 있다. 중성자빔을 샘플에 부딪히면 대부분 아무런 저해를 받지 않고 샘플을 통과한다. 하지만 일부 중성자는 연구대상의 원자핵과 상호작용을 발생해 운동 방향의 변화를 일으켜 사방으로 산란될 수 있다. 따라서 중성자 산란 궤적, 에너지 및 운동량 변화 측정을 통해 물질의 미세구조 및 동적상태를 정확하게 역추정할 수 있다. 다른 하나의 "슈퍼현미경"인 상하이광원은 싱크로트론방사 또는 중성자 산란으로 물질의 내부구조를 탐색할 수 있지만 CSNS와는 근본적인 차이가 있다. 싱크로트론방사 X선은 원자핵 외부의 전자와 상호작용하는데 산란강도는 원자번호와 정비례하며 전자개수가 많은 원자에 민감하지만 원자개수가 적은 수소 원자와 같은 경원소 탐색은 어렵다. 중성자 산란은 싱크로트론방사와 달리 중성자와 원자핵 상호작용 산란강도는 원자번호와 무관할 뿐만 아니라 동위원소와 인접원소 구별은 물론이고 탄소, 수소, 산소 등 경원소도 구별할 수 있기에 대량 수소, 산소, 질소 원자를 함유한 중합물 및 생물대분자를 탐색할 수 있다. 수소자동차에서 수소를 저장하는 금속-유기 프레임재료에 대한 파쇄중성자원 실험을 통해 수소를 원활하게 방출할 수 있는 저장위치 및 저장조건을 파악할 수 있다. 전기차 리튬전지의 성능 향상을 하는데 있어서 파쇄중성자원이 더욱 적합하다. 리튬전지 및 충방전 과정 시뮬레이션 설비를 함께 중성자산란분광기에 투입한 후 수백 회 충방전 과정에서 리튬전지 각 부위의 미세구조 변화를 실시간으로 원위치 측정해 구조-성능 관계를 구축함으로써 리튬전지 설계 개선·최적화에 핵심적 데이터를 제공할 수 있다. 이외 다양한 온도, 압력, 전기장, 자기장 그리고 원위치 조건에서 샘플의 변화를 연구하는데도 적합하다. CSNS는 2018년에 본격 가동된 이후 국내외 연구자들은 재료과학, 생명과학, 물리, 화학화공, 자원환경, 신에너지 등 분야에서 광범위하게 응용했다.

산소 함량 변화가 캄브리아기 생명 대폭발을 유발한 핵심 요인임을 규명

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최근, 중국/영국/러시아 공동연구팀은 산소 함량 변화가 캄브리아기 생명 대폭발을 유발한 가장 핵심적인 요인임을 규명하였다. 해당 연구성과는 "Nature Geoscience"에 온라인으로 게재되었다. 5.4억 년 전에 발생한 캄브리아기 생명 대폭발은 지구 생물 진화사에서의 이정표이며 현생동물의 절대다수 종류가 아주 짧은 시간에 "갑자기" 나타났다. 2006년, 주마오옌(朱茂炎) 연구팀은 단계적 복사 및 멸종을 유발한 캄브리아기 대폭발 과정 모델을 제안함과 아울러 동물의 초기 진화를 유발한 단계적 복사 및 멸종 과정은 해수에서 탄소동위원소의 비정상적 변화와 관련됨을 발견하였다. 그러나 해당 관련성 사이의 구체적인 원인 및 메커니즘은 규명하지 못하였다. 주마오옌 연구팀은 2008년 시베리아에서 진귀한 캄브리아기 초기 탄산염암 지층 샘플을 수집하였다. 그 후 공동연구팀은 체계적인 탄소, 황 동위원소 실험분석 및 수학모델 계산을 수행하였다. 계산 결과, 해당 지역 해수에서 탄소, 황 동위원소는 캄브리아기 초기인 5.24~5.14억 년 전 사이에 5라운드의 동기화 변화가 발생되었으며 그 변화폭은 대기와 천해(Shallow sea)에서의 산소 함량 변화폭을 의미한다. 5.14억 년 전 이후 탄소, 황 동위원소의 비동기화 변화는 해수에서 산소가 보편적으로 부족하였음을 의미한다. 생물 지층 자료에 대한 종합적 연구 결과, 캄브리아기 초기인 5.24~5.14억 년 전 사이의 1,000만 년 시간 내 즉 캄브리아기 대폭발 피크기(Peak period)에 해수에서 탄소 및 황 동위원소 값이 발생한 동기화 변동 횟수 및 폭은 동물 화석의 다양성 변화 횟수 및 폭과 시간적으로 아주 일치하다. 지금으로부터 5.14억 년 전 이후의 약 200만 년 동안에 탄소와 황 동위원소 사이의 변화는 비동기화로 나타났으며 탄소 동위원소는 뚜렷한 네거티브 비정상(Negative anomaly)을 유지하였고 황 동위원소는 빈번한 변동이 발생하였다. 우연하게도 바로 해당 시기에 전지구적 캄브리아기 동물군 대멸종이 발생하였다. 동 연구는 최초로 정량적 모델을 이용하여 캄브리아기 대폭발 사건은 대기 및 해양의 산소 함량 변화가 미치는 영향을 받았으며 약 5.14억 년 전 캄브리아기 동물군 대멸종 사건은 해수에서 산소 부족으로 유발되었음을 입증하였다.

중국과기대, 강상관 얽힘시스템 양자 랜덤워크에서의 초전도 양자컴퓨팅 관련 성과

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최근 중국과학기술대학 판젠웨이(潘建偉)/주샤오보(朱曉波)/펑청즈(彭承志) 연구팀은 중국과학원 물리연구소 판헝(範桁) 연구팀과 공동으로 초전도 큐비트를 양자 랜덤워크(Random Walk) 연구에 창의적으로 응용했다. 해당 연구는 향후 다물체 물리현상 시뮬레이션 및 양자 랜덤워크를 이용한 범용 양자컴퓨팅 연구에 중요한 역할을 할 전망이다. 해당 연구성과는 "Science"에 온라인으로 게재되었다. 양자 랜덤워크는 고전 랜덤워크가 양자역학에서의 확장으로서 고전 랜덤워크와 구별된다. 양자 랜덤워크는 양자중첩상태 특성을 이용한다. 격자점에서 입자 이동 특성은 양자역학의 파동함수 통계법칙으로 해석할 필요가 있다. 양자 랜덤워크 자체가 다물체 물리시스템의 양자 거동을 시뮬레이션할 수 있고 또한 이론상 최종적으로 범용 양자컴퓨팅에 이용 가능하다. 양자컴퓨팅에서 가장 전망 있는 방안인 초전도 양자컴퓨팅은 각국 정부의 관심은 물론 Google, IBM, Intel, 텐센트, 알리바바 등 회사를 포함한 대기업이 직접적으로 투입하고 있는 분야이다. 고체상태 양자컴퓨팅 방안으로서의 초전도 양자컴퓨팅의 내재적 비교우위는 공법 분야에서 보유하고 있는 양호한 확장가능성이다. 더 많은 큐비트를 끊임없이 통합함과 동시에 모든 큐비트의 품질을 어떻게 담보할지가 현재 해결해야 할 가장 큰 과제이다. 최근 2년래 IBM, Google 등 회사의 초전도 양자컴퓨팅 연구팀이 각각 50비트, 72비트 초전도 양자프로세서를 개발했다는 보고가 있지만 지금까지 프로세서 품질을 입증할만한 완전 데이터를 공개하지 못하고 있다. 뿐만 아니라 다중 큐비트 컴퓨팅시스템의 핵심 평가지표인 최대 얽힘 비트 수효와 관련한 결과도 발표되지 않았다. 판젠웨이 연구팀은 고품질 12비트 1차원 체인(one-dimensional chain) 초전도 비트프로세서 설계·가공을 통해 12개 초전도 큐비트 다물체 실제 얽힘상태 "클러스터 상태(cluster state)" 구축을 구현했다. 이로써 중국과기대/저장대/물리연구소 공동연구팀이 앞서 창조한 10개 초전도 큐비트 얽힘 구현 기록을 경신했다. 중요한 것은 공동연구팀의 얽힘 생성 방식은 기존의 집단 공명결합(resonant coupling)과 달리 표준 큐비트 게이트로 구축하여 근본적으로 더 양호한 확장가능성을 보유한다. 해당 기록은 현재로 고체상태 양자시스템에서 실현한 최대 다물체 실제 얽힘 비트 수효이다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"에 편집자의 추천논문으로 게재되었다. 연구팀은 자체적으로 개발한 고품질 초전도 양자컴퓨팅시스템에 기반해 최초로 고체상태 양자컴퓨팅시스템에서 강상관 얽힘시스템의 양자 랜덤워크를 실험적으로 시연했다. 연구팀은 단일 입자 및 이중 입자 여기조건에서 1차원 단거리 결합의 양자 랜덤워크 연구를 통해 고충실도 상태, 얽힘도 및 상관함수가 시공간 광원뿔(light cone)에서의 시간 의존적 변화를 관측했다. 이외 실험적으로 최초로 경계반사 및 파동함수 간섭으로 인해 형성된 이차(secondary) 얽힘 파면의 전파 거동을 관측했다. 이중 입자 여기를 도입한 상황에서 시간 의존적 장거리 반상호 강상관 광자로 형성된 페르미온화 거동을 실험적으로 관측함과 아울러 광자의 반집군(anti-bunching) 거동을 구현했다. 해당 연구는 최초로 인공 큐비트를 사용해 광자의 반집군 거동을 시뮬레이션함으로써 향후 양자 랜덤워크를 이용한 다물체 물리현상 시뮬레이션 및 범용 양자컴퓨팅 연구에 기반을 마련했다.

이중슬릿실험으로 반물질이 입자임과 동시에 파동임을 입증

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최근, 중국 연구팀은 최초로 전자의 반물질-양전자를 이용하여 유명한 이중슬릿실험을 수행했다. 실험 결과, 양전자는 입자임과 동시에 파동이라는 양자이론과 일치하였다. 해당 연구성과는 "Science News"에 게재되었다. 이중슬릿실험을 통하여 양자물리학 기본원리의 하나인 점상 입자도 파동이라는 것이 입증되었다. 해당 실험은 다음과 같다. 입자가 고체 장벽의 1쌍 슬릿을 통과하는 과정에서 다른 쪽의 스크린에 전형적인 파간섭 무늬가 나타난다. 각 슬릿에 나타난 파봉과 파곡이 중첩될 경우 서로 보강 또는 상쇄되는데 이로 인하여 스크린에 높은 입자 밀도 및 낮은 입자 밀도의 교체 밴드가 나타난다. 해당 실험은 광자, 전자, 원자 더 나아가 대분자의 파동-입자 이중성을 입증하였다. 그러나 반물질을 이용한 실험에서 강하고 균일한 반입자빔을 생성하기 아주 어렵다. 최근 연구에서 새 이중슬릿실험을 이용하여 전자의 반물질-양전자도 파동과 유사한 특성을 보유하고 있음이 입증됐다. 연구팀은 한 가지 장치를 설계하였는데 그 중에서 나트륨 동위원소 나트륨-22의 방사성 붕괴로 생성된 양전자는 2개의 연속 배열된 수직 막대(수직 막대의 두께는 1μm를 초과하지 않음)를 통과한다. 막대 사이의 간격은 약 수백 nm이며 이중슬릿실험의 슬릿 역할을 담당한다. 양전자 파동은 원자핵유제 탐지기 방향으로 전파되며 탐지기에서 반입자는 브로민화은 결정의 화학구조를 변화시킨다. 연구팀이 발견한 양전자 간섭무늬는 양전자의 고/저밀도 교체 줄무늬이다. 해당 새 기술을 이용하여 기타 반물질 집합체-1개 전자와 1개 양전자로 구성된 원자 유사 시스템인 포지트로늄의 성질을 탐측할 수 있다.

그래핀 에피택셜 심자외선 LED 관련 일련 성과

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최근 중국과학원 반도체연구소 조명연구개발센터, 베이징대학 나노화학연구센터, 베이징그래핀연구원 등은 공동으로 그래핀/사파이어 신형 에피택셜 기판을 개발했다. 또한 플라스마 전처리로 그래핀을 개질해 AlN 박막 성장을 촉진시킴으로써 심자외선 LED를 구현하는 새 전략을 제안했다. DFT 계산 결과, 플라스마 전처리를 통해 그래핀에 도입된 피롤질소(Pyrrole nitrogen)는 AlN 박막의 핵생성 성장을 효과적으로 촉진할 수 있고 짧은 시간에 저응력 저전위밀도를 보유한 고품질 AlN 박막을 획득할 수 있다. 해당 심자외선 LED 소자는 양호한 장치성능을 나타냈다. 해당 성과는 "Improved Epitaxy of AlN Film for Deep-Ultraviolet Light-Emitting Diodes Enabled by Graphene"란 제목으로 "Advanced Materials"에 게재되었다. 뿐만 아니라 연구팀은 그래핀/NPSS 나노그래픽기판 에피택셜 AlN 성장모델을 제안했다. 연구팀은 그래핀 표면 금속원자 이동 증강 법칙을 이론적으로 계산함과 아울러 실험적으로 검증했다. 그래핀은 NPSS에서 AlN 합병시간을 3분의 2 단축시켰고 심자외선 LED 출력을 뚜렷하게 향상시켰는바 심자외선 광원이 그래핀 산업화의 돌파구가 될 전망이다. 해당 성과는 "Appl. Phys. Lett."에 게재된 후 Featured article로 선정되었다. 또한 "New AlN film growth conditions enhance emission of deep ultraviolet LEDs"란 제목으로 "AIP Scilight"에 소개되었을 뿐만 아니라 "Compound Semiconductor" 저널 및 "Semiconductor Today"에 장편으로 게재되었다. 이외, 연구팀은 심자외선 발광장치에 존재하는 p형 도핑의 세계적 기술 난제를 해결하기 위해 결함 공진모드 p형 도핑이란 새 메커니즘을 제안했다. 동 방법은 에너지갭 조절에 기반해 고효율 억셉터 이온화율을 획득하는 동시에 높은 홀 이동도(hole mobility)를 유지하면서 0.16 Ω.cm의 p형 질화갈륨 전도율을 달성했다. 이로써 후속 심자외선 장치 투명전극의 그래핀 응용에 기반을 마련했다. 해당 성과는 "Semicond. Sci. Technol."에 게재되었고 또한 동 학술지가 선정한 2018년도 청년과학자 최고 논문상을 수상했다. 심자외선 LED는 소독, 멸균, 인쇄, 통신 등 분야에 광범위하게 응용된다. 국제 "미나마타협약(Minamata convention on Mercury)"이 체결됨에 따라 심자외선 LED의 전면적 응용은 더 시급해졌다. 하지만 상업화 심자외선 LED의 10%도 안 되는 외부 양자 효율은 심자외선 LED의 응용을 크게 제한하고 있다. AlN 재료품질은 심자외선 LED의 핵심적 요소 중 하나이다. AlN 박막은 주로 금속유기화학기상증착(MOCVD) 방법을 통해 헤테로에피택셜을 c-사파이어, 6H-SiC 및 Si(111) 기판위에 성장시킨다. AlN과 기판 사이에 존재하는 큰 격자 불일치 및 열적 불일치로 인해 에피택셜층에는 큰 응력, 높은 전위밀도(Dislocation Density)가 존재하는데 이는 장치성능을 심각하게 떨어뜨린다. 뿐만 아니라 상기 기판의 AlN 전구체는 이동 퍼텐셜 장벽이 높고 침윤성이 좋지 않아 3차원 섬모양 성장 경향을 나타내는데 일정 두께에 도달해야만 융합되므로 시간비용을 증가시킨다.

난징지질고생물연구소, 역사상 제1차 생물 대멸종 발생 과정을 고정밀 재현

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최근, 중국과학원 난징(南京)지질고생물연구소 왕광쉬(王光旭) 연구팀은 고생물학 및 탄소동위원소 지층 데이터를 이용하여 4억 년 전 오르도비스기(Ordovician Period) 말기 생물 대멸종의 발생 과정을 고정밀 재현하였다. 해당 연구성과는 "Earth-Science Reviews"에 게재되었다. 4억 년 전 오르도비스기 말기에 발생한 생물 대멸종은 지구 역사상 제1차 생물 대멸종 사건이다. 이번 사건은 해양생태계에 심각한 타격을 주었으며 그 당시 85%의 해양생물이 멸종되었고 생물군락 구조가 붕괴되었다. 연구팀은 오르도비스기 말기 지구 각 판(Plate)의 저서동물 진화 규칙을 체계적으로 종합함과 아울러 생물 지층 데이터 및 탄소동위원소 지층 데이터를 결합하여 고정밀도종합 지층 구조 조건에서 오르도비스기말기 생물 대멸종 발생 경과를 연구하였다. 대멸종이 발생한 정확한 시간은 4.45억 년 전인데 이는 남극 곤드와나(Gondwana) 빙상의 대규모 형성 시기와 일치하다. 그 당시 기후가 추워지고 빙상이 형성되었는데 이는 가능하게 해양생물의 대면적 소실을 유발한 주요 원인이다. 4.44억 년 전 기후변동이 존재하였는데 이는 해양 동물군의 교체를 유발하였으며 산호, 해면동물 등 일부분 동물 군집의 다양성을 뚜렷하게 증가시켰다. 4.43억 년 전 기후환경이 전면적으로 회복됨에 따라 해양생태계는 회복되기 시작하였다.

중국과기대, 간암세포의 nm급 초고해상도 영상 획득

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최근, 중국과기대 두장펑(杜江峰) 연구팀은 중국과학원 생물물리연구소 쉬타오(徐濤) 연구팀과 공동으로 세포 원위치 페리틴 분자에서 철이온의 자성 스핀 이미징을 구현함으로써 원위치 단백질 자기공명영상 해상도를 10nm 이하로 향상시켰다. 해당 연구성과는 "Science Advances"에 게재되었다. 전통적인 자기공명 기술의 공간 해상도는 마이크로미터(μm)급 이상이지만 세포 내 생물 분자 크기는 nm급이며 생성된 자기신호(Magnetic signal)가 미약하여 코일 센서(Coil sensor)가 감지할 수 없기에 "고해상도 영상"을 촬영할 수 없으며 따라서 단일분자 구조를 볼 수 없다. 세포 원위치에서 생물 분자의 nm급 자기공명영상 및 구조 해석 구현은 생물학 연구 분야의 최대 어려움으로 되고 있다. 연구팀이 자체로 개발한 세포 원위치 nm급 자기공명영상 실험 플랫폼의 핵심 소자는 "다이아몬드 센서(Diamond sensor)"인데 이는 1개의 단일전자 스핀 큐비트와 동일하다. "다이아몬드 센서"는 샘플의 미약한 자기 신호를 감응·접수함과 아울러 접수한 세포 분자의 자기 신호를 광신호로 전환시킬 수 있기에 광자 탐지기를 이용하여 신호를 판독할 수 있을 뿐만 아니라 원자간력현미경과 결합하여 이미지를 형성할 수 있다. nm급 자기공명영상 실험 플랫폼은 원자간력현미경과 유사하며 해당 플랫폼에 세포 샘플을 탑재하여 정확하게 "다이아몬드 센서"에 접근시킬 수 있다. "다이아몬드 센서"의 자기 신호 수집 편리를 위해 세포 샘플은 캔틸레버의 유도에 의해 원자간력현미경의 스캐닝 방법과 결합된다. 공간에서 다이아몬드 센서는 nm수준의 변위로 전체 세포 단면을 "누비면서" 최종적으로 세포내 분자의 이미징을 구현한다. 원자간력현미경은 건강검진용 침대와 유사한바 처리한 후의 세포 샘플을 탑재시켜 자기공명영상 플랫폼에서 스캐닝하여 이미지를 형성할 수 있다. 최종적으로 연구팀은 세포소기관에 존재하는 페리틴을 관측하였는데 해상도는 10nm에 달한다. 해당 연구성과는 향후 세포 원위치 단백질 자기공명영상을 구현하는데 양호한 기술 기반을 마련하였을 뿐만 아니라 세포 원위치 분자 규모의 자기공명 분광학적 연구에 가능성을 제공하였다.

국가천문대, 첫 남극 아이스돔A 야간 대기 시상 획득

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최근 중국과학원 국가천문대는 최초로 남극 아이스돔A에 위치한 쿤룬(昆侖)기지의 시상 측정 망원경(KL-DIMM)으로 아이스돔A 야간 대기 시상을 직접적으로 측정함과 아울러 지표면으로부터 8m 이상 높이에서 양호한 대기 시상(0.3각초 미만) 획득 확률이 있음을 입증했다. 대기 난류로 인한 망원경 영상화 흔들림의 모호도를 표시하는 시상은 광학 적외선 천문망원경 관측부지의 가장 중요한 파라미터이다. 시상 수치가 작을수록 대기 난류는 미약하고 영상화 각해상도는 높으므로 망원경의 희미한 천체 관측 능력도 강하다. 따라서 부지 선정은 지상 대형 망원경 구축에서 매우 중요하다. 현재 세계 최고의 부지는 하와이와 칠레에 집중적으로 분포하고 있는데 평균 대기 시상은 약 0.6각초이다. 대기 난류는 주로 근지표면의 경계층에 집중돼 있고 경계층 자유대기 난류는 매우 미약하다. 일반적 관측부지 경계층의 두께는 약 수백 m에 달하지만 남극 내륙 아이스돔은 특수한 지리적 위치로 인해 대기 경계층이 매우 얇기에 경계층 위 망원경 설치가 가능하다. 중국이 아이스돔A에서 부지측량을 수행한데 의하면 동 지역의 연간 경계층 중간값은 약 14m밖에 안 된다. 이는 남극 아이스돔C의 절반 수준이다. 하지만 지금까지 아이스돔A에서 야간 시야를 직접 측정한 사례는 없다. 국가천문대 남극천문연구팀은 아이스돔A 광학천문관측 부지측량 작업과 함께 KL-DIMM 개발에도 성공했다. 저온 및 야외 테스트를 마친 2대 KL-DIMM은 중국 제35차 남극과학탐사 내륙팀에 의해 2019년 1월에 해발고가 약 4,000m에 달하는 쿤룬기지의 8m 높이 맞춤제작 관측대에 설치되었다. 성능시험을 마친 후 자동관측을 시작한 후 획득한 대량의 대낮 시상 측정 데이터에 비추어 대낮에도 양호한 자유대기 시상을 획득할 시간이 많은 것으로 나타났다. 최근에 획득한 첫 야간 시상 측정 결과로부터 남극 아이스돔A가 아마도 지상 최적의 광학 천문관측부지임을 입증할 수 있다. 현재 2대 KL-DIMM는 지속적 자동관측을 수행하고 있는데 향후 장기간 모니터링 데이터를 획득해 아이스돔A의 천문관측자원 최종 확정 및 중국 남극천문대 대형 망원경 구축에 과학적 근거를 제공할 전망이다. 이외 KL-DIMM 개발 과정에서 다수 핵심기술을 파악했다. 1) 아이스돔A의 동계 최저기온이 -80℃에 달하고 당직근무자가 없으며 전력 및 네트워크 대역폭이 극히 제한적인 등 상황에서의 망원경 작동. 2) 관측 계획, 망원경 지향, 이미지 획득 및 보존, 데이터 처리, 결과 전송 등에 이르기까지 무인 스마트 관측시스템의 완전 자동관측. 3) 기기상태 모니터링 및 고장 메시지 경보시스템 등이 포함된다. 그 중 스마트 관측시스템은 폐루프 추적, 지향 모델, 파인더스코프(finderscope) 가이드 등 일련의 수단을 통해 표적에 대한 정확성 지향 및 추적을 달성할 뿐만 아니라 연속 24시간 지속적 관측을 지원한다.