기초과학

복단대학 고온초전도체의 배합대칭성 원리를 뒤집는 전자구조발견

/
최근 복단대학 물리학부 응용물리표면물리 국가지정중점실험실 및 선진재료실험실의 펑둥라이(封東來)교수가 이끄는 과제팀이 고온 초전도체의 기이한 전자구조를 발견하고 기존의 고온초전도체의 배합대칭성 원리를 뒤집어서 세계적인 주목을 받고 있다. 펑교수팀은 각분해 광전자분광기를 응용해 2010년말에 발견한 신규 철베이스 고온초전도체 KxFe2Se2의 완벽한 전자구조의 원리를 가장 먼저 밝혔고 또한 등방성의 S파 매칭 대칭성도 측정하였다. 이 연구성과는 국제 과학저널 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’ 2월 27일자 온라인판에 발표되었다. 초전도재료는 절대영도에 접근해야 저항이 0으로 변하기에 실제응용시에는 냉동 등의 문제에 부딪히게 된다. 하지만 고온초전도재료는 온도가 160K 거나 혹은 -113℃에서도 제로저항의 초전도상태에 도달할 수 있어서 현대 초전도연구의 인기과제가 되었다. 펑교수는 ‘초전도 메커니즘연구의 관건은 바로 그 전자의 배합 대칭성을 연구하는 것이다.’며 이러한 재료의 전자구조는 기존의 철베이스 초전도체와는 완전히 다른데 전체 피르미면에는 홀이 없고 전자만 존재한다고 주장하였다. 이는 KxFe2Se2 배합메커니즘 및 초전도 대칭성에 대해 모두 기타 기존의 철베이스 초전도체와는 다름을 의미하는데, 과거의 모든 철베이스 초전도이론은 모두 S음양파 배합의 대칭성을 구축한 것으로 현재 실험을 통해 얻은 KxFe2Se2는 S 음양파 배합대칭성이 아니라 S파 배합대칭성이기에 과거에 예측했던 철베이스초전도체의 일반그래픽을 완전히 전복시킬 가능성이 있다. 전 세계의 고온 초전도연구팀이 새로운 고온초전도재료를 발견하기 위해 노력을 기울이고 있는 배경에서 실온 초전도체를 개발하는 것은 의의가 크다고 펑둥라이가 밝혔다. 실온초전도체는 재료가 실온에서 초전도기능을 갖출 수 있다. 현재 최고의 고온초전도체는 과학자가 1986년에 발견한 동산화물 고온초전도체로, 이를 초전도체로 전환하는 온도는 -113℃이다 하지만 지금까지 동산화물의 초전도메커니즘은 여전히 파악하지 못했으며 실온과도 거리가 멀다. 2008년에 발견된 철베이스 초전도 화합물은 현재 초전도 임계온도가 최고로 -217℃이다. 펑교수는 ‘2008년부터 지금까지 철베이스 초전도체의 임계온도는 높이지 못하였으나 새로운 연구결과로부터 철베이스 초전도체는 기존의 추측했던 배합메커니즘이 아님을 나타내었다. 향후 새로운 배합메커니즘 차원에서 이론연구를 통해 접근한다면 보다 높은 온도의 철베이스 고온초전도체를 찾아내는데에 새로운 실마리를 제공할 수 있을 것이다.’라고 낙관했다. 올해는 인류가 초전도현상을 발견한지 백주년이 되는 해이다. 펑교수의 이번 발견이 향후 초전도체 연구에 새로운 계기가 될지 귀추가 주목된다.

11차5개년기간 국가자연과학기금 지원경비 300억위안

/
국가자연과학기금위원회(NSFC)는 11차5개년기간 9만2천여건의 과제에 총 3백억위안의 국가재정을 조달하여 지원하였고 지원한 연구자는 63만3천명에 달한다고 밝혔다. 지난 2010년 NSFC가 지원한 경비는 96억8천만위안에 달하였으며, 올해 경비예산은 120억위안이다. 2010년에는 연구과제, 인재프로그램과 기반조성과제 등 3대 지원구도에 따라 일괄적으로 배치하였고, 총 1,848개의 기관이 제출한 11만9천건의 과제를 평가하여 그중 1,166개 기관의 2만6,633건의 과제를 선정했다. 그중 일반과제는 1만3,030건, 지원경비는 총 45억위안으로 건당 34만7,200위안정도이며, 전년대비 지원경비가 1만8,700위안 증가되었다. 핵심과제는 436건, 지원경비는 총 9억7천만위안이며, 평균 지원경비는 221만2,200위안정도로 전년대비 36만위안 높아졌다. 11차5개년기간 지원한 일반과제는 4만7,157건, 중점과제는 1,902건인 것으로 집계되었다. NSFC가 11차5개년기간 지원한 청년과학기금은 총 2만4,951건이며, 그중 2010년에 지원한 과제는 8,350건으로 전년대비 37.36% 증가되었다. 국가걸출청년과학기금은 총 907명의 연구자에 대해 19억7천만위안의 경비를 지원했으며, 그중 2010년에는 198명의 연구자에 3억8,800만위안의 경비를 지원했다. 또한 NSFC는 136개의 혁신연구진에 경비를 지원해왔고, 143개의 우수한 연구진에 대해서는 후속 지원을 기울이고 있다. 그중 2010년 한해동안 지원한 혁신연구진은 29개에 달한다. NSFC가 11차5개년기간 지원한 빅프로젝트는 도합 42건이며, 지원경비는 4억2천만위안에 달한다. 그중 2010년 한해동안 지원한 빅프로젝트는 14건, 지원경비는 1억4천만위안이다. 11차5개년기간 총 17개의 중대연구계획을 가동하였고 1,137건의 서브과제에 12억2,700만위안의 경비를 투입해, 주로 신에너지, 신소재, 정보, 자원환경, 생명건강, 국가안보 등 영역 위주의 발전을 위해 지원을 기울였다. 2010년 한해동안 NSFC의 연합지원사업도 순조롭게 추진되었다. 천문과 대과학장비 연합기금을 통해 지원한 건수는 79건이며, 지원경비는 5,500만위안에 달하여 대학과 연구소 소재의 관련 설비와 장비의 창의적인 연구를 공동으로 추진했다. NSFC는 공정물리연구원와 공동으로 설립한 연합기금을 통해 32건의 과제에 1,410만위안의 경비를 지원하여 방위기초연구를 지원했다. 철강, 항공연합기금을 통해 지원한 과제는 41건, 경비는 2,140만위안이며, 관련 기업의 기술혁신능력 향상을 도모했다. 광동성, 운남성 등 2개 지역과의 지방연합기금을 결성하여 각각 4,815만위안과 2,925만위안을 조달하여 지방혁신체계의 구축을 지원했다. 2010년 NSFC는 광동성과 제2기 연합기금의 결성에 합의하였으며, 신화집단(神华集团)과는 ‘석탄개발연합기금’을 설립하였으며, 중국민항국(中国民航局)과는 제3기 연합기금의 협력협정을 체결하였다. 11차5개년기간 NSFC가 투입한 연합지원경비는 약 3억2,600만위안에 달하는데, 관련 부문, 지방정부와 기업의 4억4천만위안의 경비투입을 선도함으로써 국가혁신체계건설에서 중요한 지도역할을 하였다. 2010년에 NSFC는 UNEP, 유럽연합 연구총국(DG-RTD) 등과 협력협정을 새로이 체결했다. 지금까지 NSFC와 해외기구와의 체결건수는 73건이며, 국제협력네트워크를 지속적으로 확장했다. 국제협력지원경비는 무려 3억위안에 달하여 전년대비 85% 증가하였으며 과학자들에게 개방되고 창의적인 연구개발 여건을 조성했다. 해외청년학자연구기금을 통해 지원한 연구자는 80명이며 중외청년학자의 협력과 교류를 촉진했다. 대만과는 협력범위를 계속해서 넓히고 지원규모를 확장하였으며 리궈딩(李国鼎)과기발전기금회와 연합하여 양안협력연구과제 7건을 지원했다. 홍콩과는 23건의 공동기금과제를 지원했다. 11차5개년기간 NSFC가 지원한 국제(지역)협력 및 교류과제는 5,548건이며, 지원경비는 8억5,500만위안에 달하며, 글로벌 과학기술자원을 충분히 활용하고, 독자적인 혁신능력 향상을 목표로 하며, 교류형 협력을 기초로 하고 실질적인 협력연구를 중점으로 하는 전략적 협력구도를 갖추었다.

서안광학정밀기기연구소 투과율 높은 파장분할 다중화기 개발

/
표면플라즈몬 폴라리톤(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)은 외부 자기장과 금속표면의 자유전자와의 상호작용으로 형성된 일종의 간섭성 공명으로 거대한 로컬필드 증강효과를 지닌다. SPPs는 회절극한을 극복할 수 있어 많은 새로운 광학현상을 일으키는데, 예를 들면 부정굴절(negative refraction), 완벽프리즘, 스텔스(stealth) 등의 현상이 그러하다. 이러한 복잡한 현상은 가능하게 새로운 원리나 이론 또는 신기술이 내포되어 있음을 나타낸다. SPPs는 신형의 광자소자, 광대역통신시스템, 데이터기록, 현미경, 태양전지, 신형의 광자센서 등의 발전을 위해 가능성을 제공했다. 현재 SPPs기반의 서브파장광학은 광학과 광자학가운데 가장 빠르게 발전하는 인기연구분야로 떠올랐다. 중국과학원 서안광학정밀기기연구소의 과도광학 및 광자기술 국가중점실험실의 연구원은 SPPs 연구과정에 금속-매체-금속 나노캐비티가 극히 강한 로컬공명과 양호한 여파특성을 지니는 현상을 발견했다. 이러한 효과를 토대로 연구원은 SPPs 나노 Resonator의 멀티채널 파장분할 다중화기(WDM)를 설계해냈다. 나노캐비티의 반경, 결합길이, 굴절률 등의 물리변수와 SPPs 공명 투과율간의 관계에 대한 측정결과 파장분할 다중화기(WDM)는 구조가 타이트하고 파장을 조절가능하며, 투과율이 높은 등이 장점이며, 그 투과율은 현재 국제적으로 보도된 최고치보다 무려 2배정도 높은 것으로 나타났다. 이러한 파장분할 다중화기는 광통신, 광학컴퓨팅, 광정보처리 등의 분야에 응용된다. 이 연구성과는 미국광학학회(OSA)의 주목을 받았으며, 논문은 Optics Express에 발표되었다. 논문제목은 ‘Tunable multi-channel wavelength demultiplexer based on MIM plasmonic nanodisk resonators at telecommunication regime’이며, OSA에 의해 “Image of the week”에 선정되었다.

지구환경연구소 미래 대기오염연구의 새로운 연구수단 발굴

/
탄소 안정동위원소(stable carbon isotopic composition)는 지구화학연구에 광범위하게 응용되며 동시에 대기오염원 및 대기화학전환을 해석하는 효과적인 수단이기도 하다. 중국과학원 지구환경연구소의 차오쥔지(曹军骥)연구원은 대기미세입자중의 유기탄소(OC)와 원소탄소(EC)의 안정동위원소에 대한 연구에서 진전을 이룩했다. 관련 연구논문은 (Stable carbon isotopes in aerosols from Chinese cities: Influence of fossil fuels) 최근의 국제 유명학술저널인 Atmospheric Environment에 발표되었다. 이 연구는 중국 14개 주요 도시의 대기미세입자 유기탄소(OC)와 원소탄소(EC)의 안정동위원소를 체계적으로 조사한 것으로, 남부, 북부 주요도시의 OC와 EC 동위원소의 공간분포 및 계절변화특징을 도출해냈다. 연구결과, OC 동위원소 수치변화범위는 -26.90‰~ -23.08‰, EC 동위원소 수치변화범위는 -26.63‰ ~ -23.27‰사이에 있음을 획득했다. 겨울철의 OC, EC 안정 동위원소 수치는 뚜렷한 연관성을 나타내며, OC, EC 동위원소 차이는 북부지역이 남부지역보다 큰 것으로 나타났다. 동위원소 지시특징을 비교해보면 도시대기미세입자중의 탄소성분은 주로 화학석유연료의 연소, 특히 석탄 연소와 차량의 가스방출에서 비롯되었으며, 북부지역이 겨울철에 석탄연소의 영향을 가장 많이 받는 것으로 나타났다. 본 연구를 통해 대기중 OC, EC 안정된 탄소동위원소는 대기중 탄소에어로졸(carbonaceous aerosol)의 공급원을 식별하는 유효 지시물질로 삼을 수 있음을 입증했으며, 또한 미래 대기오염연구의 새로운 일반연구수단이 될 것으로 전망된다. 논문정보: Jun-ji Cao,et al., Stable carbon isotopes in aerosols from Chinese cities: Influence of fossil fuels, Atmospheric Environment 45 (2011) 1359-1363

중국 란저우중이온가속장치로 비스무트이온 가속에 성공

/
2월 25일 중국과학원 산하 근대물리연구소는 란저우(蘭州)중이온가속장치(HIRFL)로 비스무트 이온을 가속하는데 성공했다. 연구원들은 중이온냉각저장링(CSR)의 메인링으로 83호 원소 비스무트(209Bi36+)빔의 냉각축적을 실현했고, 또한 핵자 하나당 170MeV 에너지로 가속시키는데 성공했는데, 이는 C, Ar, Ni, Kr과 Xe 다음에 HIRFL-CSR로 가속에 성공한 가장 무거운 이온에 속한다. 중이온 209Bi36+빔의 가속성공은 HIRFL-CSR의 중이온가속능력을 입증한 것으로, 중국의 중이온가속기기술이 세계선진반열에 진입하였음을 입증하는 중요한 표지이기도 하다. 비스무트금속입자는 초전도 ECR이온원 SECRAL에서 가열되어 증발되며 또한 플라즈마가운데서 전리되면서 209Bi36+이온을 생성하며 빔을 형성한다. 209Bi36+빔은 HIRFL-SFC 회전가속장치안에서 핵자당 1.9MeV의 에너지로 가속되며 메인링(HIRFL-CSRm)안에서 9초만에 ~2.5×107개의 이온을 축적하여 가속시키면 핵자당 170MeV(이온당 동력에너지 35.5GeV)의 에너지에 달할 수 있다.

국방과기대 중저속 자기부상교통핵심기술 확보

/
국방과기대학은 30년간의 연구 끝에 독자적인 지재권을 보유한 중저속 자기부상교통핵심기술을 확보했다. 3월 1일 북경시에서 건설을 가동한 8개의 도시궤도교통지능화 운영회로중 S1라인 서부구간공정에 해당기술을 채택하여 중국 최초의 중저속 자기부상교통운영시범라인을 건설하게 된다. 이는 중국이 일본 다음으로 중저속 자기부상교통 운영회로를 보유한 국가가 되었음을 의미한다. 1980년대부터 국방과기대의 창원선(常文森)교수가 이끄는 연구팀은 자기부상교통의 핵심요인기술을 위주로 독자적인 혁신을 추진해 서스팬션제어, 보기(bogie), 총체설계와 시스템집적 등 일련의 핵심요인기술을 공략했다. 1999년 중국과기대는 북경주식제어집단유한공사(北京控股集团有限公司)와 협력하여 ‘11차5개년’기간 국가과기지탱계획 중점과제 ‘중저속 자기부상교통기술 및 공정화 응용연구’를 수행했다. 양 기관은 중국내 17개 연구기관과 기업과 협력하여 핵심장비의 백프로 국산화를 실현하여 중저속 자기부상교통기술 공정능력을 갖춤으로써 중저속 자기부상교통을 발전하기 위한 기반을 다졌다. 2010년 3월, 본 과제는 5명의 원사를 포함한 전문가팀의 검수를 통과했다. 검수결과, 전문가팀은 중저속자기부상교통시스템의 서스펜션제어, 견인제어, 운행제어 등의 핵심요인기술을 확보하여 중저속자기부상교통의 시스템기술을 확보하였으며 선진국수준에 도달하였다고 평가했다. 북경주식제어집단유한공사는 당산(唐山)에 소재한 시험거점에 최고시속이 105km에 달하는 1.5km 길이의 중저속 자기부상교통시범라인을 건설하였다. 자기부상열차으로 형성된 자기장의 강도는 일반 가전제품이 형성한 자기장과 비슷하거나 심지어 더욱 낮아 친환경적이고 안전한 도시궤도교통시스템으로 알려져 있다. 중국은 도시교통문제를 해결하고, 에너지절약/오염물방출저감을 촉진하며, 녹색성장을 실현하기 위해 중저속자기부상교통을 적극 발전시키기 위한 노력을 아끼지 않고 있다.

2010년 원전산업 10대 뉴스

/
2010년 중국 원전산업의 10대 뉴스 1. 당중앙 원전 발전 크게 중시 17차 5중 전회에서 12차 5개년 계획기간 안전을 보장하는 기초위에 원전사업을 고효율적으로 발전시킬 것을 제안하였다. 9월 4~6일 후진타오 국가주석이 선전(深圳)시를 시찰하던 중 다야완(大亞灣)원전기지를 특별히 고찰하면서 원자력은 전 세계적으로 공인하는 청정에너지이기 때문에 중국이 에너지구조를 조정하고 온실가스의 방출을 감소시키는 중요한 조치로 삼아야 한다고 강조하였다. 2. 링오우(岭澳)원전 2기공정의 1호기와 친산(秦山)원전 2기 확충공정의 3호기 상용화 운영에 투입 7월 15일 중국 자체브랜드의 원전기술을 최초로 사용한 링오우원전 2기공정 1호기가 전력망 연결에 성공해서 9월 20일부터 상용화에 정식 투입되었다. 8월 1일 11차 5개년 계획기간 최초로 착공한 친산원전 2기 확충공정의 3호기가 전력망 연결에 성공해서 10월 21일부터 본격적으로 상용화되었다. 이로써 중국은 총 13기의 상용화 원전을 보유하게 되었으며, 총 발전용량이 천만kw를 초과하였다. 3. 새로운 원전프로젝트가 잇달아 착공 2010년 한해 중국은 총 10기의 신규 원전을 착공하였다. 1월 8일에 닝더(寧德)원전의 3호기, 4월 15일에 타이산(臺山)원전의 2호기, 4월 25일에 창쟝(昌江)원전의 1호기, 6월 210일에 하이양(海阳)원전의 2호기, 7월 30일에 팡청강(防城港)원전의 1호기, 9월 29일에 닝더(寧德)원전의 4호기, 11월 15일에 양쟝(陽江)원전의 3호기, 11월 21일에 창쟝(昌江)원전의 2호기, 12월 28일에 팡청강(防城港)원전의 2호기, 12월 31일에 푸칭(福淸)원전의 3호기가 잇달아 착공되었다. 2010년 말 기준 중국 내 건조중인 원전은 28기에 이르러 전 세계 건조중인 원전 총수의 40%를 차지하였다. 이로써 중국은 건조중인 원전 규모가 가장 큰 국가로 부상하였다. 4. 네이멍구(內蒙古)지역에서 3만톤 이상의 초대형 우라늄광상 발견 12월 7일 중국의 지질학자들이 10년 동안의 노력을 거쳐 네이멍구지역에서 초대형의 우라늄 광상을 발견한 사실이 보도되었다. 연구자들은 Erdos분지 외 Erlian분지의 중부지역에서 백악기시기 호수/하천지층에서 형성된 3만톤 이상의 초대형 우라늄광상을 확인하였다. 이와 관련된「Erdos분지 북부지역의 사암타입 우라늄광상의 시간/공간적 오리엔테이션과 광상형성메커니즘 연구」프로젝트는 지질과학기술 10대 진전에 선정되었다. 5. 사용후핵연료 재처리중간실험공정 열조절에 성공 12월 21일 중국 최초의 사용후핵연료 재처리중간실험공정인 중국핵공업그룹(CNNC)404중간실험공정이 열조절에 성공하였다. 이는 중국이 원자력에너지 연구개발 분야에서 이룩한 중대한 기술성과로서, 핵연료 밀폐사이클(closed cycle) 방향으로의 발전을 위해 중요한 걸음을 내디뎠다. 재처리를 거쳐 회수하는 우라늄과 플루토늄으로 MOX(우라늄-플루토늄 혼합산화물)연료를 제조해서 원자로에 재활용할 수 있다. 6. 백만kw급 원자로압력용기의 독자개발에 최초로 성공 12월 18일 중국핵동력연구설계원(NPIC)에서 설계하고, 중국제1중형기계그룹이 제조한 훙옌허(紅沿河)원전 1호기의 압력용기의 각종 기술지표가 요구조건을 전부 충족시켰다. 세계 선진수준에 도달한 이 원자로압력용기는 중국이 백만kw급 NI(nuclear island) 메인설비의 국산화를 기본적으로 실현하였음을 뜻한다. 7. 중국고속실험로(CEFR) 최초로 임계에 도달 7월 21일 중국의 첫 고속중성자증식로 CEFR이 최초로 임계에 도달했는데, 이는 원전 분야의 중대한 자주혁신 성과이다. 이로써 중국은 미국, 영국, 프랑스 등에 이어 세계에서 8번째로 고속로기술을 보유한 국가가 되었다. 고속중성자증식로는 우라늄자원의 이용율을 크게 향상시키는 동시에 고준위폐기물의 양을 감소시킬 수 있다. 8. 원전산업협회 과학기술상 최초로 창설 11월 9일 중국원전산업협회 과학기술상 평가위원회의 심의를 통해 1등상 2건, 2등상 12건, 3등상 42건을 선정하였다. 원전산업의 자주혁신능력을 향상시키고 원전 발전에 특출한 기여를 한 기관과 과학기술자를 장려하기 위해, 중국원전산업협회, 중국핵공업그룹, 광둥원전그룹, 국가원전기술유한공사, 중국전력투자그룹, 중국화넝(華能)그룹, 중국다탕(大唐)그룹 등이 공동으로 출자해서「원전산업협회 과학기술상」을 최초로 창설하였다. 9. AP1000/EPR 3세대 원전 6기 전부 착공 6월 20일 하이양(海陽) 2호기가 착공되었다. 이로써 AP1000 3세대 기술을 사용한 산먼(三門) 및 하이양(海陽)의 4기 원전과 EPR 3세대 기술을 사용한 타이산(臺山)의 2기 원전을 포함해서 총 6기의 3세대 원전이 전부 착공되었다. 10.「원자력법」잉태중 9월 국무원이 북경대학의 4명 원사가 공동으로 작성한「원자력법을 조속히 제정할데 관한 제안」에 대해 긍정적인 의견을 표시하였다. 이로써 원자력 분야 기본법이 될「원자력법」의 논증사업이 심층적으로 추진될 예정이다.