기술동향
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비결맞음 조작 조건에서의 양자상태 전환 구현

중국과학기술대학교 궈광찬(郭光燦) 연구팀은 폴란드 바르샤바대학교(University of Warsaw)/독일 울름대학교(University of Ulm) 이론물리학자와 공동으로 최초로 큐비트의 비결맞음 조작 조건에서의 전환문제를 이론적으로 완전히 해결함과 아울러 실험설계를 통해 이를 검증하였다. 해당 성과는 "npj Quantum information"에 게재되었다. 최근 엄밀한 양자결맞음성 정의의 제안은 양자결맞음성 자원이론의 발전을 촉진하고 있다. 양자중첩성(quantum superposition)을 정량화하는 양자결맞음성은 양자물리/양자정보학의 핵심으로서 다양한 양자임무(예를 들면, 양자컴퓨팅, 양자통신 등) 수행에 중요한 응용가치가 있다. 연구팀은 비결맞음 조작 조건에서의 큐비트 전환문제를 이론적으로 완전히 해결함과 아울러 해당 결과를 분산시스템(distributed system) 결맞음 전환 연구에 확장시킴으로써 이체(two-body) 순수상태(pure state)의 보조적 전환을 완전히 해결함과 아울러 혼합상태(mixed state)의 보조적 전환도 일부분 해결하였다. 연구팀은 상기 이론적 작업을 토대로 일련의 실험을 설계해 이를 검증하였다. 연구팀은 큐비트를 광자의 편광상태(polarization state)에 인코딩하여 최초로 완전 광학적 엄격한 비결맞음 조작장치를 설계하였다. 또한 단일큐비트/분산시스템에서 큐비트의 비결맞음 조작 조건에서의 전환을 고충실도로 구현하였다. 실험 결과, 광학기술을 이용해 양자상태의 비결맞음 조작 조건에서의 전환연구를 쉽게 수행할 수 있었다. 이는 구체적인 응용에서 기존의 광학기술로 결맞음성 전환을 구현하는데 기반을 마련하였다.

세계 최초로 드론 기반 양자얽힘 분배 달성

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난징(南京)대학 주스닝(祝世寧), 셰전다(謝臻達), 궁옌샤오(龔彥曉) 연구팀은 2년간 연구를 거쳐 세계 최초로 드론 기반 양자얽힘 분배를 달성했다. 이로써 무게가 약 35Kg인 8축 회전익 드론이 천천히 상승하여 수십 미터 높이에 도달했을 때 100m 떨어진 지면의 A, B 두 점에 한 쌍의 얽힘 광자를 방출할 경우 2개 광자는 대기 난류, 빗물, 햇빛 등의 간섭을 받은 후에도 거의 완벽하게 지면에 도달할 수 있게 되었다. 해당 성과는 "National Science Review"에 게재되었다. 기존의 양자얽힘 분배는 주로 광섬유 기반 링크, 위성과 지면 사이의 자유 공간에서 분배 전송 등 두 가지 방법이다. 드론을 이용한 양자얽힘 분배는 쾌속 기동, 요구에 따른 네트워킹, 쉬운 확산, 저원가 등 특성을 보유하고 있다. 2017년부터 연구팀은 난징, 스자좡(石家莊), 란저우(蘭州) 등 지역에서 실험을 수행하여 최종적으로 드론 기반 양자얽힘 분배를 달성했다. 해당 8축 회전익 드론은 10Kg의 양자통신 시스템을 탑재할 수 있다. 측정 결과 A, B 두 점 광자얽힘 상태의 벨 부등식 S값은 2.49에 도달하여 양자얽힘 분배에 성공했다. 실험 결과, 전송 링크는 안정적이고 소모가 비교적 적다. 양자얽힘 분배는 양자통신의 주요 방법이다. 실험 성공은 드론을 이용하여 양자통신 네트워크를 구축할 수 있음을 의미한다. 해당 실험 성공은 드론에 탑재된 고성능 통합화 양자얽힘 광원, 광신호 수신/발송 통합화 시스템 등과 갈라놓을 수 없다. 실험 결과에 의하면 단일 광자 측정은 대낮, 비오는 날 등 다양한 기상조건에서 정상적으로 수행할 수 있다. 이는 드론 기반 양자얽힘 분배를 통해 양자통신 네트워크를 언제 어디서든 요구에 따라 커버리지할 수 있음을 의미한다.

상업용 밀리미터파 위상배열 칩 개발

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2020년 1월 19일, 네트워크통신·안전 쯔진산(紫金山)실험실은 중국의 독자적 통제가 가능한 초저원가 밀리미터파 위상배열 칩을 발표했다. 해당 칩은 빠른 속도, 광범위한 커버리지로 밀리미터파 통신기술의 상업화 "걸림돌"을 해결했다. 전세계 모든 지역을 커버할 수 있는 광대역 통신 네트워크를 구축하고 신호 사각지대를 없애려면 광대역 위성 통신 및 5G 밀리미터파 통신의 상업화를 달성해야 한다. 밀리미터파 통신 스펙트럼은 자원이 풍부하다. 5G 시대에 밀리미터파 주파수대를 선택하여 사용할 경우 1차선 도로를 10차선 도로로 업그레이드한 것과도 같이 그 속도는 대폭 향상된다. 애플사(Apple Inc.)는 밀리미터파를 지원할 수 있는 5G 버전 휴대폰을 개발하고 있다. 광대역 위성 통신 기술을 통해 신호를 전세계 모든 지역에 커버리지할 수 있다. 미국 스페이스X(SpaceX)는 5년 내에 4.2만 개 위성을 발사할 계획이다. 하지만 광대역 위성 통신 및 5G 밀리미터파 통신 핵심 소자인 밀리미터파 위상배열 칩은 가격이 매우 비싸다. 256 채널의 전형적인 위상배열 안테나 가격은 100만 위안(한화로 약 1.7억)에 달한다. 쯔진산실험실 연구팀은 실리콘 공법을 이용하여 대규모 위상배열 안테나 제품의 원가를 상업화가 가능한 수준으로 절감시켰다. 뿐만 아니라 저원가 CMOS 공법에 의한 밀리미터파 칩, 대규모 안테나 어레이 설계를 심층적으로 연구하는 한편 대규모 안테나 어레이 회로판 제조 및 집적 공법 등 핵심 기술을 파악함으로써 CMOS 밀리미터파 통신 칩의 대규모 보급 응용 어려움을 해결했다.

세계 최초 모바일 위성 지상국과 "모쯔호" 도킹 성공

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2019년 12월 30일 23시 31분부터 23시 39분 사이에 지난(济南)양자기술연구소 지붕에 위치한 모바일 양자위성 지상국에서 방출한 한 가닥의 적색 빛이 하늘에서 지나가는 한 점의 녹색 빛을 찾아서 적색 빛과 녹색 빛의 도킹을 달성했다. 해당 "녹색 빛"은 2016년에 우주로 발사된 "모쯔호(墨子号)" 양자위성이 방출한 빛이다. "모쯔호"는 모바일 양자위성 지상국과의 몇 분간의 도킹 사이에 엄청난 정보를 암호화 전송하였다. 세계 최초 모바일 양자위성 지상국과 "모쯔호"의 첫 번째 도킹은 약 8분간 지속되었다. 도킹 후, "모쯔호"는 안전키를 배분하고 지상국은 접수 후 안전키 테스트를 수행한다. 지난양자기술연구원은 2019년부터 소형화 양자통신위성 지상국 시스템 프로젝트를 가동하여 12월 24일에 완성하였으며 "모쯔호" 양자과학실험위성과의 도킹 테스트에 성공했다. 이는 중국 최초 소형화 모바일 양자위성 지상국의 구축 완료를 의미한다. 중국과학기술대학교, 커다궈둔(科大国盾)양자기술유한회사, 지난양자기술연구원에서 공동 구축한 해당 지상국의 크기는 페인트 통 정도이고 무게가 80킬로그램이며 28센치미터 망원경 설비와 함께 모바일 양자위성 지상국을 구성한다. "모쯔호" 발사 당시 사용한 지상국은 무게가 십여 톤에 달했다. 연구팀은 수천 번의 실험을 거쳐 지상국 소형화에 성공함으로써 양자기술 제품화의 핵심기술을 파악했다. 제조원가가 대폭 절감되고 차량에 싣고 이동하여 언제 어디서든 사용할 수 있다. 향후, 산업화 분야에서 광범위하게 보급될 전망이다. 현재, 지난양자통신시험 네트워크는 성공적으로 "징후간선(京沪干线, 베이징-상하이인터넷망)에 접속하여 중국 광역 양자통신 네트워크의 중요 구성 부분으로 되었다.

20광자 60×60 모드 간섭회로 보손 샘플링 양자컴퓨팅 구현

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중국과학기술대학교 판젠웨이(潘建偉)/루차오양(陸朝陽) 연구팀은 국외 연구팀과 공동으로 세계 최초로 20개 광자 입력 60×60 모드 간섭회로의 보손 샘플링(Bose sampling) 양자컴퓨팅을 구현했는데 그 출력 복잡도는 48개 큐비트의 힐베르트 상태 공간(Hilbert state space)에 해당하고 차원수는 370조 개에 달한다. 해당 연구는 광자수, 모드수, 연산 복잡도, 상태 공간 등 4개 핵심지표에서 모두 기존의 세계기록을 경신하였다. 그 중 상태 공간 차원수는 동업계가 기존에 달성한 광양자 컴퓨팅 실험에 비해 100억 배 향상되었다. 해당 연구는 "Physical Review Letters"에 게재되었다. 양자컴퓨터 개발은 첨단과학 분야의 가장 큰 도전이 되었다. 양자컴퓨팅 연구의 1단계 목표는 "양자패권"이라고도 부르는 "양자컴퓨팅의 우월성" 구현이다. 즉, 개발해낸 양자컴퓨팅 프로토타입이 특정 임무 해결에서 클래식 슈퍼컴퓨터를 초월해야 한다. 초전도 큐비트를 이용한 랜덤 회로 샘플링 및 광자를 이용한 보손 샘플링 구현은 양자컴퓨팅 우월성 시연에 있어 학계가 인정하는 두 가지 경로이다. 연구팀은 자체로 개발한 국제 최고 효율 최고 품질의 단일 광자원, 최대 규모 최고 투과율의 멀티채널 광학간섭계를 사용해 20개 광자 입력 60×60 모드 간섭회로의 보손 샘플링 실험을 성공적으로 구현하였다. 동업계 유사 실험에 비해 해당 실험에서 성공적으로 통제한 단일 광자수는 5배, 모드수는 5배 증가했고 샘플링 속도는 6만 배, 출력 상태 공간 차원수는 100억 배 향상되었다. 그 중 출력 상태 공간 차원수는 다광자 높은 모드 특성에 힘입어 370조에 도달했는데 이는 48개 큐비트로 확장시킨 힐베르트 공간에 해당한다. 해당 실험은 최초로 보손 샘플링을 새로운 영역으로 넓힘과 아울러 클래식 컴퓨터로 해당 보손 샘플링 양자컴퓨팅 프로토타입을 직접적이고도 전반적으로 검증할 수 없을 수준에 도달시키는 등 양자컴퓨팅 우월성 시연의 과학목표를 향해 중요한 한 발짝을 내디뎠다.

"지린 1호" 광대역 01 위성 발사

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2020년 1월 15일 10시 53분, 중국 타이위안(太原)위성발사센터에서 창정 2호(長征二號) 정(丁) 운반로켓으로 서브미터급 초광대역 상업용 광학원격탐사위성 "지린 1호(吉林一號)" 광대역 01 위성[일명 "훙치 1호(紅旗一號) - H9"]을 성공적으로 발사했다. "지린 1호" 광대역 01 위성은 창광(長光)위성기술유한회사가 자체로 개발한 신형 고성능 광학원격탐사위성이다. "지린 1호" 위성의 성숙된 싱글머신 및 기술기반을 계승한 해당 위성은 최초로 대구경/광시야/장초점 3 - 반사식 광학시스템 설계를 채택함으로써 고해상도, 초광대역, 고속 메모리, 고속 데이터 전송 등 특성을 보유했다. 해당 위성은 궤도진입 후 기존에 발사된 15개 "지린 1호" 위성과 네트워크를 형성해 정부 및 업계 사용자에게 더욱 풍부한 원격탐사 데이터 및 제품 서비스를 제공할 전망이다. 이번에 NewSat 7/8 위성 및 톈치(天啟) 별자리 05 위성의 3개 소형 위성도 탑재하여 발사했다. NewSat 7/8 소형 위성은 아르헨티나 Satellogic 회사에서 개발했고 톈치 별자리 05 위성은 베이징궈뎬가오커(國電高科)과학기술유한회사가 상하이 ASES 항천과기유한회사에 위탁하여 개발했다. 이번 발사에 사용한 창정 2호 정 운반로켓은 중국항천과기그룹유한회사 산하 상하이항천기술연구원이 개발했으며 이번 발사는 창정 시리즈 운반로켓의 325차 우주비행이다.

효과적인 중수소 분리에 의해 제어 가능한 핵융합에 잠재적 연료 제공

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중국 시안(西安)교통리버풀(Liverpool)대학교는 영국 리버풀대학교와 공동으로 효과적으로 고순도 중수소를 분리할 수 있는 재료를 개발했다. 해당 성과는 "Science"에 게재됐다. 제어 가능한 핵융합은 청정에너지이다. 하지만 안정적이고 제어 가능한 핵융합 연료 개발은 어려움으로 되고 있다. 수소 동위원소인 중수소는 잠재적인 제어 가능한 핵융합 연료이지만 자연계에서의 농도가 매우 낮다. 일반적으로 고순도/고농도 중수소는 "수소-중수소" 혼합기체 분리를 통해 얻는다. 그러나 해당 분리 기술은 에너지 소모가 크고 효율이 낮으며 가격이 비싼 등 원인으로 달성하기 어렵다. 영국 리버풀대학교 Andrew Cooper 연구팀(중국-영국 공동 연구팀)은 "동적 양자 스크리닝"이라 불리는 과정을 통해 중수소를 혼합기체에서 효과적으로 분리할 수 있는 신소재를 설계했다. 딩리펑(丁理峰) 및 박사연구생 양쓰위안(楊思源)은 분리 과정의 이론적 모델링에 중요한 기여를 했다. 일반 실험화학에 요구되는 시약과는 달리 계산화학은 주로 고성능 슈퍼컴퓨터를 이용하며 컴퓨터 모델을 통해 분자 규모에서 "수소-중수소" 분리 과정을 연구하여 해당 재료가 우수한 성능을 보유할 수 있는 원인을 찾아낸다. 해당 신소재는 복합 다공성 유기 바구니 화합물 재료로서 혼합기체에서 중수소 분자를 선택함과 아울러 대량으로 흡착할 수 있기에 중수소를 분리하는 경제적이고 고효율적인 방법이다. 분자 모형은 후속적인 실험 방향을 확정하고 더욱 양호한 분리 재료를 개발하는데 도움이 된다. 중수소는 핵융합 연료 외에 비방사성 동위원소 추적, 중성자 산란 기술 및 제약 등 분야를 포함한 기타 과학 연구에 광범위하게 응용된다.

스젠 12호 위성 포지셔닝 성공

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2019년 1월 5일, 중국항천과기그룹유한회사 제5연구원에서 개발한 둥팡훙(东方红) 5호 위성 공용 플랫폼의 첫 비행 시험위성인 스젠(实践) 12호 위성이 포지셔닝에 성공했다. 해당 위성은 중국에서 개발한 발사 무게가 가장 무겁고, 기술 함량이 가장 높은 고궤도 위성으로 중국이 자체 개발한 차세대 대형 지구동기 궤도위성 플랫폼인 둥팡훙 5호 공용 플랫폼에 대한 전반적인 궤도 검증을 수행할 예정이다. 스젠 12호 위성은 2019년 12월 27일에 성공적으로 발사된 후, 단 9일 만에 일련의 "고난이도" 작업을 수행하고 일련의 신기술 궤도 시험검증을 수행하여 중요한 성과를 달성했다. 이는 신기술 성숙도 향상, 신기술 응용 촉진 및 중국의 우주항공 기술 발전의 심층적 추진에 중요한 의미가 있다. 이번 시험에서 중국에서 면적이 가장 크고 전개 방법이 가장 복잡한 솔라윙이 "1차 전개 및 2차 이차원 전개" 작업을 수행했다. 하나의 거대한 솔라윙을 보유한 스젠 12호 위성은 보잉737비행기 날개보다 10미터 더 넓다. 또한 중국 최초의 "스트링형" 솔라윙으로 전기기계 부분의 중량비가 기존 모델의 1:1에서 사상 최저치인 1:2로 감소되었다. 로켓은 위성을 궤도에 진입시킨 후 많은 에너지가 필요하지 않기에 솔라윙은 1차 전개에서 일부만 전개하고 위성이 우주에서 약 1주일간 비행한 후, 36,000키로의 지구동기 궤도에서 2차 전개를 진행한다. 솔라윙은 전부 전개된 후 면적이 증가되어 지속적인 초강전류를 공급하고 더 많은 서비스를 제공한다. 스젠 12호 위성의 성공적인 포지셔닝은 둥팡훙 5호 위성 공용 플랫폼 검증이 중대한 돌파를 달성하고 중국이 국제 일류 위성 "클럽"에 진입하였음을 의미한다. 중국 기존의 "주력 제품"인 둥팡훙 3호, 4호 플랫폼과 비교할 경우, 둥팡훙 5호 플랫폼은 무게, 출력, 재궤도 수명 등 핵심 성능 지표가 획기적으로 업그레이드되어 중국의 대형 위성 플랫폼 모델계열을 보완하고 향후 20년 내의 대용량 위성 응용 수요를 만족시킬 수 있다.

창정 5호 운반 로켓, 스젠 12호 위성 발사 성공

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2019년 12월 27일 20시 45분, 중국은 원창(文昌)위성발사센터에서 창정(长征) 5호 야오산(遥三) 운반로켓을 발사했다. 2,000여초 후 로켓은 스젠(实践) 20호 위성과 성공적으로 분리되어 위성을 예정 궤도에 진입시켰다. 이는 창정 시리스 운반 로겟의 323번째 발사이다. "팡우(胖五)"라고도 불리는 창정 5호 운반 로켓은 중국의 탑재 로켓 업그레이드를 위한 중요한 프로젝트로 중국 최초의 대추력, 무독성, 무공해 액체 로켓으로서 혁신적 어려움이 많고 기술적 범위가 넓으며 복잡성이 높다. 로켓은 새로운 5미터 코어 지름의 화살표 몸체 구조를 사용하고, 4개 3.35미터 지름 부스터를 번들링하였다. 총 길이는 57미터, 이륙 중량은 약 870톤, 지구저궤도 탑재 능력은 25톤급, 지구 동주기 천이궤도는 14톤급, 지구-달 천이궤도탑재 능력은 8톤급으로 전반적 성능과 기술이 세계 선진 수준에 도달했다. 이번 발사 성공은 중국이 더 무거운 우주선을 발사하고 우주선을 더 먼 우주공간으로 보낼 수 있는 능력을 구비하였음을 의미하며 또한 미래 달 탐사 프로젝트 3기, 첫 번째 화성 탐사 등 중대 프로젝트를 위해 중요한 기반과 선결조건을 마련했다. 스젠 20호 위성은 지구 동주기 궤도 신기술 검증 위성으로 둥팡훙(东方红) 5호 차세대 대형 위성 플랫폼의 핵심 기술을 검증하고 다수의 신기술 검증 작업을 수행하며 지구 동주기 궤도 통신 방송 서비스를 전개할 예정이다. 창정 5호 로켓은 10여 년의 개발을 통해 선후로 2016년 11월 3일과 2017년 7월 2일에 두 차례 발사를 진행했는데 그 중, 첫 번째는 발사에 성공하고 두 번째 발사는 로켓 엔진 고장으로 위성을 예정 궤도에 진입시키지 못했다. 연구팀은 2년 이상의 지상 시험을 통해 두 번째 발사 실패의 문제점을 극복하고 세 번째 발사에 원만히 성공했다. 창정 5호 운반 로켓 프로젝트는 2006년에 개발 허가를 받았으며 중국국가항천국에서 주관하여 실행했다. 중국항천과기그룹유한회사 산하 중국우주기술연구원에서 로켓을 개발하고 중국위성발사관측제어시스템센터에서 발사와 관측·제어를 담당했다. 원창위성발사센터는 중국 최초의 해안 위성발사기지로 위도가 낮고 발사 효율이 높으며 발사 방향이 넓고 위성 수송이 간편한 등 장점을 보유하여 차세대 운반 로켓과 신형 우주설비 발사 수요에 부합된다.

종양세포 위치추적 가능 신형 "장잔광 히드로겔" 개발

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톈진(天津大学)대학교 양다융(仰大勇) 연구팀은 신형 장잔광 히드로겔 개발에 성공했다. 해당 히드로겔은 생체에 진입한 후 종양 세포에 장시간 표지되어 근적외선을 방출함으로써 암세포가 "실시간 위치 공유"를 하게 한다. 따라서 암세포의 전이 경로를 추적할 수 있어 암 치료의 새로운 무기로 부각될 전망이다. 해당 성과는 "Nano Letters"에 게재되었다. 악성 종양 전이는 암치료 실패의 주요 원인이다. 종양 전이는 종양 세포가 원발부위에서 림프관과 혈관 등 경로를 통해 기타 부위에 이행하여 계속 성장함으로써 전이성 종양을 형성하는 과정이다. 전이성 종양은 일반적으로 크기가 아주 작고 형태가 다양하며 임의로 다른 기관에 분포되기 때문에 암치료가 어렵다. 따라서, 종양세포 전이 과정 모니터링 과정이 행위 연구의 신방법과 신기술 개발은 종양 치료에 중요한 의미가 있다. 신형 "장잔광 히드로겔"은 인체에 진입한 후, 외부광 여기가 없이 자체적으로 장시간 근적외선을 지속적으로 방출하기에 배경 간섭이 없이 심부조직 이미징을 구현하고 종양 전이의 가시화 이미징 연구에 이용할 수 있다. 해당 장잔광 히드로겔은 종양 특이 타겟팅의 "장잔광 나노프로브" 및 "알긴산나트륨히드로겔"로 구성되며 개질 종양 특이성 리간드를 통해 상이한 종양 세포를 식별하고 지속적으로 표지할 수 있고 종양 세포의 전이 행위를 발광하는 "실시간 위치 궤적도"로 구현할 수 있다. 유방암 생쥐를 이용한 모델 실험 결과, 신형 히드로겔은 생체 적합성이 양호하고 독성과 부작용이 없으며 종양의 전이와 침습에 영향을 미치지 않았다. 또한, 민감도가 아주 높고 간섭을 극복하고 생쥐의 종양 부위에서 지속적으로 발광 표기 프로브를 방출하여 종양 세포를 표기하고 종양 전이의 비외력성, 고선택성, 무배경 간섭 이미징 추적을 구현했다. 신형 "장잔광 히드로겔"은 다양한 유형의 종양 세포에 대한 맞춤형 설계가 가능하여 다양한 종양 세포 전이 연구를 위한 범용성 검측 플랫폼을 제공함과 아울러 암치료 등 분야에서 광범위한 응용 전망을 가진다.

신종 코로나바이러스: 중서의 결합 예방치료 임상연구 시작

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과학기술부의 대폭적인 지원 하에 수립된 “국가과학기술 응급공관프로젝트 - 신종 코로나바이러스 감염증 중서의결합 예방치료 임상연구”가 정식으로 시작되었다. 이 프로젝트는 과학기술부의 제 1선에서 신청, 제 1선에서 비준, 제 1선에서 시작한 응급 프로젝트로, 중국공정원 원사 장바이리(张伯礼)가 책임을 맡고 후베이(湖北)성 중서결합병원팀의 주도로 4개 성, 8개 기관이 참여 조직되었다. 출범식에서 장바이리는 이 프로젝트 선정의 초심과 목적, 3개 방향과 5개 과제의 전체 개요를 소개했다. 신종 코로나바이러스 감염증의 치료에서 중의약이 전과정에서 전방위적 작용을 발휘하고, 중서의학이 각각의 장점을 활용 보완하여 시너지를 낼 수 있도록 하는 것이다. 아직까지 이번 폐렴 치료에 효과 있는 약물이 없는 상황에서 중서결합으로 병을 치료하는 것이 가장 중요하다. 이 연구의 가장 중요한 취지는 첫째가 임상치료, 둘째가 과학연구이다. 시간이 긴박하지만, 과학연구의 규율은 굳건히 지키고, 진지하고 엄격하게 치료 서비스와 함께 과학연구를 진행할 것이다. 프로젝트 책임자, 수도 의과대 부속 베이징 중의병원의 리우칭췐 (刘清泉) 교수가 프로젝트의 구체적인 내용을 소개하였으며, 이 과제는 지정병원에서 치료 중인 신종 코로나바이러스 감염에 의한 폐렴 환자들을 연구 대상으로 임상병리학적 조사를 실시해 환자의 증후를 조사하고 임상실험과 코호트연구 방법을 활용, 중서의결합 치료법의 임상적 가치를 평가할 예정이다. 특히 신종 코로나바이러스에 감염에 의한 폐렴의 중의증후 특징과 규율을 중점적으로 연구하고, 중서의결합 치료의 일반 폐렴(경증) 임상 치료에 미치는 효과, 중증과 위중 폐렴에 대한 임상적 가치 등 각기 다른 유형의 폐렴 환자에 대한 방안과 효과가 연구될 것이다. 프로젝트 책임자 통샤오린(仝小林) 원사는 지역 방역 및 회복기 방안의 주요 내용을 소개했다. 현재 이 과제는 중국 임상시험 등록센터에 등록을 마치고, 후베이성 , 호북성, 징진지(京津冀-베이징, 톈진, 허베이성), 광둥성 많은 지역의 의료 기관들이 이번 연구에 참여하고, 톈진중의약대학 쉰정(循证)의학센터, 베이징대 임상연구소 등 기관이 참여해 과제 설계 및 방법론적 지원을 제공한다. 연구팀은 이미 데이터베이스 구축 및 의료진 교육을 마치고 정식으로 병례 수집을 시작했다. 신종 코로나바이러스(2019-nCoV) 감염증의 폭발적 증가로 인민 건강과 사회 안정에 막대한 영향을 미치고 있다. 신종 코로나바이러스(2019-nCoV) 감염에 의한 폐렴은 아직 명확한 치료약이 없고, 증상에 대한 치료만 하고 있다. 어떻게 빠르게 효과적인 치료 방법을 만들어 내느냐가 현재 당면한 중대 문제이다. 과학기술부는 제일 먼저 전국 우수 과학 연구 역량이 협력할 수 있도록 조직을 구성하고, 신속하게 신종 코로나바이러스(2019-nCoV) 감염증의 과학연구 공관을 구동하였다. 중의약은 바이러스 감염에 의한 폐렴에 효과적인 치료로 SARS 예방치료에서도 해열, 폐삼출 컨트롤, 혈중산소포화도 안정화, 호르몬 용량 감소 등 다방면에 잠재적 장점을 보이며 일정한 치료 효과를 보였다. 신종 코로나바이러스(2019-nCoV) 감염에 의한 폐렴에도 중서의결합 치료를 활용 약간의 경험을 축적하고 있으나, 이 병의 증후학 연구 및 치료 방안의 최적화를 더욱 심화하고 임상치료를 규범화하고 임상완치율을 높이고 사망률을 낮춰 회복기 건강회복을 촉진하여 중의약의 작용을 전면적으로 발휘해야 한다. 출범식에서 국가중의학 관리국 부국장 옌슈지앙(闫树江)은 주요 연설을 통해, 이 연구의 주요 의의를 충분히 인정하고, 연구와 동시에 방역일선에서의 논문 산출로 임상연구 성과가 바로 지도 작용을 발휘하여 중의진료방안을 최적화 하고 치료 효과를 제고할 수 있도록 요구하였다.

우한 신종 코로나바이러스에 대한 연구 결과

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2020년 1월 21일, 중국과학원 상하이파스퇴르연구소 하오페이(郝沛)/군사의학연구원 국가비상예방통제약물공정기술연구센터 중우(鍾武)/중국과학원 분자식물엑설런스센터 합성생물학중점실험실 리쉬안(李軒) 등 연구팀의 연구 성과가 "Evolution of the novel coronavirus from the ongoing Wuhan outbreak and modeling of its spike protein for risk of human transmission"란 제목으로 "SCIENCE CHINA Life Sciences"에 온라인으로 게재되었다. 해당 논문은 우한(武漢) 폐렴 발생을 야기시킨 신종 코로나바이러스의 진화 근원 및 2002년 광둥 "비전형성폐렴(사스)"의 SARS 코로나바이러스와 "중동호흡기증후군"의 MERS 코로나바이러스와의 유전적 진화관계를 서술하였다. 또한 우한 신종 코로나바이러스 spike-단백질 구조에 대한 시뮬레이션 연산을 통해 동 단백질이 사람의 ACE2 단백질과 작용하여 인간 감염을 매개하는 분자작용경로를 규명하였다. 해당 성과는 우한 신종 코로나바이러스의 잠재적인 사람 간 전염성을 평가함으로써 전염원 및 전파경로의 빠른 시간 내 확인, 고효율적 예방통제 전략 마련에 과학적인 이론근거를 제공하였다. 2019년 12월부터 후베이성 우한시에서 집중적으로 발생하기 시작한 원인불명의 폐렴에 대한 역학조사 결과, 해당 폐렴 병례는 우한시 "화난(華南)해산물시장"과 연관이 있는 것으로 나타났다. 다학제 통합진료 및 실험적 검사를 통해 우한 폐렴은 바이러스성 폐렴으로 확인되었고 2020년 1월 8일에 "우한폐렴" 병원균이 일종의 신종 코로나바이러스임을 기본적으로 확정지었다. 우한폐렴은 2002년 광둥에서 발생한 사스와 유사한 점이 많다. 양자 모두 겨울철에 발생하였고, 초기 병례는 동물교역시장에서 사람과 살아있는 동물과의 접촉에서 비롯되었으며, 알려지지 않은 코로나바이러스 병원균에 의해 유발되었다는 점이다. 2020년 1월 20일 18시 기준으로 중국 경내에서 누계 보고된 신종 코로나바이러스 감염 폐렴 병례는 224건, 그 중 확진병례는 217건(우한시 198건, 베이징시 5건, 광둥성 14건)이고 의심병례는 7건(쓰촨성 2건, 윈난성 1건, 상하이시 2건, 광시좡족자치구 1건, 산둥성 1건)이다. 중국 국외에서 보고된 병례에는 일본 1건, 태국 2건, 한국 1건이 있다. 감염환자 중 의료진 14명이 포함되는 등 해당 신종 코로나바이러스는 사람 간 전염 및 확산 추세를 보이고 있다. 2020년 1월 10일 우한 신종 코로나바이러스의 첫 번째 게놈서열 데이터가 발표되었고 그 후로 환자 몸에서 분리한 일련의 신종 코로나바이러스 게놈서열이 잇따라 발표되었다. 상기 게놈 데이터는 우한 신종 코로나바이러스의 진화 근원 및 발병 병리메커니즘 연구·분석에 중요한 자료를 제공하였다. 연구팀은 우한 신종 코로나바이러스와 SARS/MERS 코로나바이러스와의 관계를 밝히기 위해 상기 3종 코로나바이러스 게놈을 비교하였다. 그 결과 우한 신종 코로나바이러스는 SARS/MERS와 각각 평균 ~70%, ~40% 서열 유사성을 지님을 발견하였다. 그중, 다양한 코로나바이러스가 숙주세포와 작용하는 핵심 spike유전자(S-단백질 인코딩)는 더욱 큰 차이성을 나타냈다. 우한 신종 코로나바이러스의 진화 근원 및 가능한 자연계 숙주를 밝히기 위해 연구팀은 우한 신종 코로나바이러스와 기존에 수집한 대량 코로나바이러스 데이터에 대한 유전적 진화분석을 통해 우한 신종 코로나바이러스는 Beta코로나바이러스속(Betacoronavirus)에 속함을 발견했다. Betacoronavirus는 단백질로 둘러싸인 단일사슬 플러스가닥(plus strand) RNA바이러스로서 사람을 포함한 고등동물에 기생하며 감염시킨다. 계통수에서의 위치를 보면 SARS 바이러스 및 유사SARS(SARS-like) 바이러스 분류군과 인접해 있지만 결코 SARS/유사SARS 바이러스 분류군에 속하지 않는다. 흥미로운 것은 그들 진화에서 공동의 외군(outgroup)은 과일박쥐(fruit bat)에 기생하는 HKU9-1코로나바이러스라는 점이다. 따라서 우한 코로나바이러스와 SARS/유사SARS 코로나바이러스 공동의 조상은 HKU9-1와 유사한 바이러스이다. 우한 코로나바이러스의 진화 이웃 및 외군 모두 다양한 종류의 박쥐에서 발견된데 비추어 우한 코로나바이러스의 자연 숙주 또한 박쥐일 것으로 추정된다. 아마도 우한 코로나바이러스도 2002년에 사스를 유발한 코로나바이러스와 마찬가지로 박쥐에서 사람에 이르는 전염과정 가운데 알려지지 않은 중간숙주 매개체가 있을 가능성이 크다. 우한 신종 코로나바이러스와 SARS/MERS 바이러스와의 유전적 거리가 매우 먼 점을 감안해 연구팀은 우한 신종 코로나바이러스의 사람 감염 메커니즘 및 경로를 분석하였다. SARS/MERS 바이러스의 S-단백질은 각각 사람의 ACE2, DPP4 단백질과의 상호결합을 통해 사람의 호흡기상피세포를 감염시킨다. 연구팀은 우한 코로나바이러스와 SARS/MERS 바이러스 S-단백질의 숙주 수용체 상호작용 영역(RBD 영역) 비교를 통해 RBD영역에서 우한 코로나바이러스와 SARS 바이러스가 비교적 유사함을 발견하였다. 그러나 MERS 바이러스와의 차이가 큰 점에 미루어 S-단백질과 DPP4 상호작용적 사람 감염의 가능성을 배제하였다. 하지만 우한 코로나바이러스 S-단백질이 사람 ACE2와의 상호작용도 큰 어려움이 존재한다(이미 입증된 SARS 바이러스 S-단백질과 ACE2와 상호작용하는 5개 핵심 아미노산 가운데 4개가 우한 코로나바이러스에서 변화가 발생했다). 연구팀은 상기 문제를 해명하기 위해 분자구조 시뮬레이션 연산방법을 사용해 우한 코로나바이러스 S-단백질과 사람 ACE2 단백질 구조 맞물림 연구를 수행하여 놀라운 결과를 얻었다. 비록 우한 코로나바이러스 S-단백질 중 ACE2 단백질과 결합되는 5개 핵심 아미노산 가운데 4개에 변화가 발생하였지만 변화된 아미노산은 오히려 전체적으로 SARS 바이러스 S-단백질과 ACE2 단백질이 상호작용하는 오리지널 구조형태를 매우 완벽하게 유지하고 있었다. 우한 신종 코로나바이러스의 새 구조와 ACE2 단백질의 상호작용력이 소수 수소결합의 손실로 다소 저하(SARS 바이러스 S-단백질과 ACE2 상호작용에 비해 저하)되었으나 결합 자유에너지(binding free energy)는 -50.6 kcal/mol로 여전히 매우 높은 수준에 도달하였다. 동 결과는 우한 코로나바이러스가 S-단백질과 사람 ACE2와의 상호작용 분자 메커니즘을 통해 사람의 호흡기상피세포를 감염시킴을 입증한다. 해당 연구 성과는 우한 코로나바이러스가 사람에 매우 강한 감염력을 보유함을 예측함으로써 과학적인 예방통제, 예방통제 전략 구축, 검사/중재 기술수단 개발 등을 위해 과학적 이론기반을 마련하였다.

신형 항결핵 약물 개발에 정밀 표적 제공

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퉁지대학교 의학대학 및 부속상하이시폐전문병원 거바오쉐(戈宝学) 연구팀과 상하이과기대학교 라오쯔허(饶子和) 연구팀은 공동으로 결핵균에 존재하고 있는 일종의 매우 총명한 단백질이 인체 단백질 분자를 이용해 자체 면역계를 공격함으로써 결핵병을 유발함을 발견하였다. 해당 연구 성과는 "Nature"에 온라인으로 게재되었다(https://www.nature.com/articles/s41586-019-1915-7). 결핵병은 지금까지도 세계적으로 감염으로 인한 사망의 주원인이다. 세계보건기구 통계에 따르면 2018년 전세계 새 발병건수는 1,000만 건에 이르는 것으로 나타났다. 항결핵균 약물의 광범위한 사용에 의한 약물내성 결핵병 발생상황은 해마다 심각해지고 있고 이에 따라 커지는 결핵병 치료의 어려움은 세계적인 과제로 되고 있다. 현재까지 결핵균 감염·발병 및 약물내성 메커니즘은 완전히 밝혀지지 않았고 결핵병에 대한 빠르고도 정확한 진단방법도 부족하며 신형 약물이 없는 등 이유로 결핵병에 대한 예방은 여전히 큰 도전에 직면해 있다. 연구팀은 "결핵균과 숙주의 상호작용이 감염성질병 발생의 기초"라는 핵심문제를 둘러싸고 결핵균 감염·발병 과정 중 핵심 병원균과 숙주 분자기계(Molecular Machine)의 구조, 기능 및 조절 메커니즘을 연구하였다. 또한 표적 결핵균과 숙주 상호작용의 차원에서 접근해 신형 항결핵 약물 개발을 추진하였다. 인체가 결핵균에 감염시 결핵균은 독성인자 Rv0222를 분비할 수 있고 Rv0222은 인체의 단백질수식시스템을 이용해 2차 가공을 거친 후 효과적으로 인체면역계 공격에 저항할 수 있다. 이로써 결핵균의 인체면역계로부터 도피 및 발병이 초래된다. 즉, 해당 단백질은 인체 자신의 "창(단백질 분자)"을 이용해 자신의 "방패(면역계)"를 공격함으로써 인체 면역계의 공격을 피해가며 최종적으로 결핵병 발생을 초래한다. 현재 이와 관련한 일련의 성과가 "Nature", "Nature Microbiology" 등 저널에 각각 게재되었다. 해당 연구는 결핵균이 인체 유비퀴틴화 시스템을 이용해 인체 면역공격을 피해가는 도피 메커니즘을 완전하게 서술함으로써 단백질수식시스템의 감염성질병 조절에서의 역할에 대한 이해를 넓혔다. 또한 단백질 구조 분석 및 기능 탐구를 통해 Rv0222 독성 단백질이 76 부위 라이신에서 유비퀴틴화 수식을 발생한 후 독성을 발휘함을 정확하게 규명하였는바 이는 후속 신형 항결핵 약물 개발에 정밀 표적을 제공할 수 있다. 실험현장 실험현장2 실험결과논의

수소에너지 장비 시험테스트 기술 배치 가속화

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베이징우주시험기술연구소(항천 101연구소), 중국특종설비연구원, 중국과학원 이화학연구소, 베이징저탄소연구원 등 13개 부서는 중국 최초로 액체수소협력혁신연합체(이하 연합체)를 설립하여 수소에너지 장비 시험 테스트 기술의 배치를 가속화할 예정이다. 중국은 최대 수소 생산국이며 또한, 수소 사용 대국이다. 2050년에 이르러 중국의 수소에너지는 최종 에너지소비의 10%를 차지할 전망이다. 현재 중국의 수소에너지 산업은 제품 성능 테스트와 품질 검증에 관한 기술 경험이 부족하고 성숙한 수소에너지 장비 성능 테스트와 테스트 방법, 표준 및 인프라가 부족하며 완전한 수소에너지 장비 품질 평가 시스템과 테스트 검증 능력이 형성되지 않아 수소에너지 장비 보급과 안전 응용 진전에 심각한 영향을 미친다. 따라서 향후, 수소에너지 장비 테스트 분야의 지속적인 연구와 투자를 강화하고 지역 수소에너지 장비 테스트 기지를 구축하며 전국적인 수소에너지 장비 테스트 네트워크를 형성하여 수소에너지 테스트 수준을 향상시켜야 한다. 연합체는 액체수소 분야의 핵심 기술에 중점을 두고 액체수소 기술과 장비 연구, 개발, 시험, 테스트, 산업화 등 분야에서 산학연용(산업-학술-연구-응용) 협력을 전개하고 산업표준 제정과 정책 연구에 조력하며 중국의 액체수소 기술 개발, 표준 제정, 테스트 평가 및 기술 서비스를 이끌고 액체수소 기술과 산업의 자주화 발전을 촉진할 예정이다. 항천과기그룹유한회사는 수소에너지 관련 과학기술과 산업 배치를 추진하여 일련의 신제품, 신서비스를 형성하였고 국내 사용자의 새로운 수요를 충족시키고 있다. 아울러, 축적한 기술, 서비스 능력 및 투자 구축한 시험 장비를 다양한 형태로 국내 기업에 개방하여 새 협력을 모색하고 있다.

난선광 철광석 부유자화배소기술로 철광석 고효율 이용의 어려움 극복

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둥베이(東北)대학교 한웨신(韓躍新) 연구팀이 자체적으로 개발한 첨단 친환경 선광기술을 기반으로 한 주취안(酒泉)철강(그룹)유한책임회사의 "분광 부유자화배소 시범프로젝트"가 최근 풀가동 생산에 들어갔다. 자화배소 효과는 양호했고 분광(fine ore)으로부터의 철 회수율은 기존의 65%에서 85%이상으로 증가했다. 이는 부유자화배소기술의 첫 대규모 산업응용으로서 철광석 고효율 이용의 세계적 어려움을 해결함과 아울러 자원이용 효율을 대폭 향상시켰다. 주취안철강(그룹)유한책임회사 주변에는 10억 t의 선광이 어려운 철광석(아래 난선광 철광석으로 약칭)이 매장되어 있다. 해당 철광석은 광물구성이 복잡하고 철광물 과립 순도가 낮은 등 복잡계 난선광 저품위 산화철광석으로서 자원이용 효율이 낮다. 이를 감안해 동 회사는 2015년에 둥베이대학교와 공동으로 기술해결에 나섰다. 2년간의 연속적 시험을 거쳐 양호한 기술지표를 획득함으로써 미광(tailings) 자원화 이용에 기술적 토대를 마련했다. 둥베이대학교가 자체적으로 개발한 난선광 철광석 부유자화배소기술은 "World Metals"로부터 2016년 세계철강산업 10대 기술뉴스로 선정되었다. 해당 성과에 힘입어 2016년 8월 1일에 연간 165만 t 부유자화배소 1기 공사가 착공되었고 2018년 3월에 부유배소로 시스템이 본격적 시운전 단계에 진입하였으며 2018년 11월부터 1단계 연속 시생산을 시작해 끊임없는 최적화 작업 끝에 현재 풀가동 생산에 이르렀다. 둥베이대학교 연구팀은 2007년부터 난선광 철광석의 광물구성이 복잡하고 공생적 관계가 긴밀한 등 특성을 감안한 다양한 부유자화배소 신기술을 제안했다. 해당 신기술은 10여 년간 수십 개 국제·국내 발명특허를 획득했다. 아울러 부유자화배소와 관련한 다수 신형 산업장비모델을 개발해 국내외 철광석 부유자화배소 분야 핵심기술을 파악했다. 관련 기술로 안산철강(鞍鋼), 허강(河鋼), 타이강(太鋼) 및 "일대일로" 연선국가 시에라리온, 알제리, 모로코, 잠비아 등의 복잡계 난선광 광산자원에 대한 부유자화배소시험에서 획득한 배소효과 및 선별지표 모두 양호했다.

첫 1,000t급 순환유동층석탄가스화장치 납품

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중국과학원 공정열역학연구소가 개발한 중국 첫 1,000t급 순환유동층석탄가스화장치가 간쑤(甘肅) 진창(金昌)에서 본격 납품되었다. 이는 중국이 청정·고효율 순환유동층석탄가스화기술을 합성암모니아 업계에 응용한 첫 사례이며 해당 기술의 응용보급은 합성암모니아 업계의 환경오염문제 해결에 새 경로를 마련할 전망이다. 현재 고정층 가스화로를 사용해 합성암모니아장치에 원료가스를 공급하는 질소비료업체가 중국 합성암모니아 생산능력의 40%를 차지한다. 오염의 심각성 문제로 질소비료업계의 50%를 차지하는 고정층 가스화로가 가동을 멈추었거나 심지어 완전 정지되었다. 매년 겨울철 심각한 오염문제로 빚어지는 수많은 질소비료업체 생산정지와 봄철 농업용 비료공급 간에 형성되는 모순은 매우 두드러진 상황이다. 재래식 석탄가스화기술에는 적용 가능한 석탄종류가 적고 오염이 심각하거나 또는 비용이 높은 등 문제가 존재한다. 이를 감안해 연구팀은 청정, 고효율, 저비용의 석탄종류 적용범위가 넓은 순환유동층석탄가스화기술을 개발했다. 관련 장치로 현지 분탄을 청정·고효율 원료가스로 전환시키는 비용은 30%~50% 절감될 뿐만 아니라 재래식 석탄가스로의 폐가스·폐수 오염을 제거해 기업에 약 5,000만 위안(한화로 약 84억 6,200만 원)의 비용절감 효과를 가져다줄 예정이다. 더불어 합성암모니아 업계의 환경오염방지 수준도 뚜렷이 향상시킬 전망이다. 해당 기술은 이미 비철야금, 도자기 업계 선두기업에 광범위하게 응용되고 있고 "일대일로" 연선국가에도 수출되고 있다. 현재 70개 기술제품이 산업화 되어 33억 위안(한화로 약 5,584억 9,200만 원)의 생산액을 창출했으며 연간 260만 t의 타르/페놀 함유 오수 배출을 감소시킬 수 있다.

티탄산나트륨과 그래핀을 이용하여 고에너지, 고출력 마이크로 커패시터 개발

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중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소 우중솨이(吳忠帥) 연구팀과 바오신허(包信和) 연구팀은 공동으로 성게형 티탄산나트륨과 다공성 활성화 그래핀을 결합하여 고에너지밀도, 고내열성을 보유한 유연성 나트륨이온 마이크로 슈퍼커패시터를 개발했다. 마이크로 센서, 마이크로 로봇, 자가동력 마이크로 시스템 등은 마이크로 전기화학 에너지저장 소자를 떠날 수 없다. 해당 소자는 전극 크기가 μm 범위인 소형 전원으로서 유연성, 마이크로화, 지능화 집적 전자 제품의 핵심 전원으로 인정되고 있으며 현재 주로 마이크로 배터리, 마이크로 슈퍼커패시터 및 하이브리드 슈퍼커패시터로 분류한다. 마이크로 배터리는 고에너지밀도를 보유하고 있지만 출력밀도가 낮고 마이크로 슈퍼커패시터는 고출력밀도를 보유하고 있지만 에너지밀도가 낮다. 리튬이온 마이크로 슈퍼커패시터를 대표로 하는 하이브리드 슈퍼커패시터는 마이크로 배터리의 고에너지밀도 장점과 마이크로 슈퍼커패시터의 고출력밀도 장점을 동시에 보유한 신형 마이크로 전기화학 에너지저장 소자이다. 리튬이온 마이크로 슈퍼커패시터는 상기 장점을 보유하고 있지만 규모화 응용 면에서 금속 리튬의 자원 제한 및 비교적 높은 개발원가(리튬의 지각 내 함량은 0.006%) 제한을 받고 있다. 나트륨 자원은 지구자원의 약 2.74%에 달하기에 개발원가가 저렴하며 전기화학적 성질도 리튬과 유사하다. 따라서 나트륨이온 마이크로 슈퍼커패시터 개발은 중요한 응용 전망을 보유하고 있다. 연구팀은 성게형 티탄산나트륨을 배터리형 음극으로 하고 다공성 활성화 그래핀을 커패시터형 양극으로 했으며 고압 이온액체 겔 전해액을 결합하여 유연성 나트륨이온 마이크로 슈퍼배터리를 성공적으로 제조했다. 또한 배터리형 음극과 커패시터형 양극의 효과적인 결합을 통해 나트륨이온 마이크로 슈퍼커패시터가 3.5V의 고전압 조건에서 안정적으로 작동하게 했고 에너지밀도를 37.1MWh/cm3에 도달시킴과 아울러 초저 자가 방전 속도를 달성했다. 나트륨이온 마이크로 슈퍼커패시터는 다방향 신속 이온 확산 통로를 보유하고 있기에 전하이동 저항을 대폭 감소시킴과 아울러 출력밀도를 뚜렷하게 향상시킬 수 있다. 동시에 소자의 평면기하학적 구조 및 이온 겔 전해액의 비가연성으로 해당 마이크로 소자는 양호한 기계적 유연성 및 80℃ 고온 안정성을 보유하고 있다.

2차원 얼음의 존재 및 성장 메커니즘 최초 입증

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베이징대학교, 미국 네브래스카대학교 링컨캠퍼스(University of Nebraska-Lincoln), 중국과학원 연구팀은 공동으로 고해상도 qPlus형 원자힘 현미경(atomic force microscope) 기술을 이용해 최초로 2차원 얼음의 존재를 실험적으로 입증하였다. 아울러 그 형성 과정을 원자급 해상도에서 영상화함으로써 그 특이적 성장 메커니즘을 규명하였다. 해당 성과는 "Nature"에 게재되었다. 지난 100여 년 동안 발견된 얼음의 3차원 구조는 총 18종인데 그 중 가장 흔한 종류가 바로 날리는 눈꽃, 더위를 식히는 얼음덩이, 남극의 두터운 얼음층 등 육각형 얼음상(ice phase)이다. 하지만 자연계에 안정적 2차원 얼음이 존재하는지 여부를 입증할 확실한 실험적 증거가 없다. 연구팀은 온도, 수압 정밀 조절 하에 소수성 금 기질(Au substrate) 위에서 최초로 단일결정 2차원 얼음 구조를 성장시켰다. 또한 비간섭적 원자힘 현미경 이미징 기술을 2차원 얼음의 아분자급 해상도 영상화에 응용함과 아울러 이론적 계산을 결합시켜 그 원자 구조를 확정하였다. 연구 결과, 2차원 얼음은 2개 층 육각얼음이 무회전 적층되어 형성된 것으로 2개 층 사이는 수소결합으로 연결되며 각각의 물분자는 동일 층 물분자와 3개 수소결합을 형성하는 한편 위아래층 물분자와 1개 수소결합을 형성하는 관계로 모든 수소결합은 전부 포화되었고 그 구조 또한 매우 안정적이다. 다시 말해 독립적으로 존재할 수 있는 "자기포화(self-saturating)" 2차원 얼음이다. 이는 실험적으로 입증된 첫 번째 종류의 2차원 얼음 구조이기에 "2차원 얼음 I상"이라 명명하였다. 2차원 얼음이 어떻게 형성되는지를 확인하기 위해 연구팀은 2차원 얼음을 영하 153℃에서 영하 268℃로 급냉동시킴으로써 얼음 성장 과정의 일련의 중간상태를 동결시켰다. 이로써 안정적인 이미징을 구현함과 아울러 2차원 아이슬란드 톱니형 경계의 "가교"식 성장 및 팔걸이의자형 경계의 "파종"식 성장 메커니즘을 제안하였다. 해당 발견은 100여 년래 형성된 얼음상에 대한 전통적 인식에 도전장을 내밀었다. 2차원 얼음이 존재할 경우, 3차원 얼음은 표면을 따라 성장하기에 매우 견고하지만 2차원 얼음이 존재하지 않을 경우, 형성된 3차원 얼음과 표면의 접촉면이 매우 작아 쉽게 바람에 날려갈 수 있다. 따라서 2차원 얼음 구조에 근거한 더 목적성 있는 결빙방지재료 설계 및 개발이 가능하다. 그리고 2차원 얼음을 이용해 재료 사이 마찰을 줄일 수도 있다. 이외, 2차원 얼음은 일종의 특수한 2차원 재료로서 향후 고온 초전도성, 심자외선 탐지, 저온전자현미경 이미징 등 연구에 참신한 플랫폼을 제공할 전망이다.

고온/저온에 견디는 초경량 초탄성 소재 개발

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중국과기대 위수훙(俞書宏) 연구팀과 량하이웨이(梁海偉) 연구팀은 200만 라운드 압축 후에도 여전히 "초탄성"을 보유하여 변형되지 않을 뿐만 아니라 –100℃ ~ 500℃의 초저온/초고온에서도 견딜 수 있는 초경량형 신소재를 개발했다. 해당 성과는 "Advanced Materials"에 게재됐다. 경량성/강인성을 보유함과 아울러 고온/저온에 견딜 수 있는 "초탄성" 재료는 항공우주, 연체 로봇, 기계적 완충, 에너지 감쇠 등 분야의 이상적인 재료이다. 많은 재료는 그 중의 1가지 또는 몇 가지 특성을 보유하고 있지만 상기 모든 특성을 모두 보유한 재료는 매우 적다. 최근 탄소나노튜브와 그래핀으로 경량형 초탄성 재료 개발을 시도했지만 공법의 제한으로 밀리미터급 "소규모 물질"밖에 제조할 수 없고 크기를 증가시킬 경우 파손되는 현상이 나타난다. 그리고 자연계의 일부분 생물소재는 우수한 역학적 성능을 보유하고 있지만 순수한 유기물 또는 유기물/무기물 복합 구조이기에 일반적으로 매우 제한된 온도 범위에서 기능을 발휘한다. 예를 들면 인체 힘줄은 양호한 내피로성 재료이지만 인체 온도 범위 내에서만 정상적으로 기능을 발휘하며 나무는 가볍고 인성이 강하지만 고온에 견디지 못한다. 연구팀은 열분해 화학적 제어를 통해 구조생물재료를 흑연 탄소나노섬유 에어로겔 재료로 전환시키는 새 방법을 개발했다. 실험적 검증 결과, 해당 새 방법으로 재조한 신형 흑연 에어로겔 재료는 무게가 약 6mg/cm3이고 200만 라운드 압축한 후에도 초탄성을 보유하여 변형되지 않으며 –100℃ ~ 500℃ 온도 범위 내에서 초탄성 및 내피로성을 유지하는 등 우수한 성능을 보유하고 있다. 해당 신소재는 "대형", 대규모로 합성할 수 있을 뿐만 아니라 생물소재의 경제적 우위를 보유하고 있기에 항공 태양열 배터리, 슈퍼커패시터, 에너지 완충 및 센서 장치 등 분야에서 중요한 응용 전망이 있다.

초탄성 및 내피로성 보유 탄소 나노섬유 에어로겔 개발

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중국과학기술대학교 위수훙(俞书宏) 연구팀과 량하이웨이(梁海伟) 연구팀은 공동으로 열분해 화학 제어를 통해 구조생물 재료를 흑연탄소 나노섬유 에어로겔로 열전환시켰다. 해당 에어로겔은 세균성 섬유소의 거시적에서 미시적에 이르는 성층 구조를 완벽하게 구현함으로써 뚜렷한 열기계적 성능을 보유함과 아울러 대규모 합성을 구현했다. 해당 성과는 "Advanced Materials"에 게재되었다. 초탄성 및 내피로성을 보유한 경량 압축 재료는 항공우주, 기계 완화, 에너지 감쇠 및 소프트 로봇 등 분야의 이상적인 재료이다. 많은 저밀도 중합체 발포체는 압축성이 높지만 재사용시 내구성이 약해지며 중합체 유리전이와 용융 온도 근처에서 초탄성이 퇴화된다. 탄소 나노 튜브와 그래핀은 고유의 초탄성과 열역학적 안정성을 갖지만 복잡한 설비와 제조 과정에서 밀리미터 크기의 재료만 제조할 수 있다. 또한, 대자연에서 수억 년 동안 진화한 복잡한 성층 구조 생물 재료는 우수한 역학적 특성으로 많은 관심을 끌지만, 순수한 유기 또는 유기/무기 복합 구조 때문에 통상적으로 좁은 온도 범위에서만 작동한다. 따라서, 이러한 비열안정적 구조 생물 재료를 고유의 성층 구조의 열안정적 흑연재료로 전환시킨다면 열역학적으로 안정적인 새로운 재료를 창조할 수 있다. 연구팀은 무기염의 세균섬유소에 대한 열분해 화학적 조절 방법을 이용하여 대규모 합성, 형태 보존적 탄화 공정을 구현하고 개발한 탄소 나노섬유 에어로겔은 세균섬유소의 거시적에서 미시적에 이르는 성층 구조를 구현했으며 비교적 넓은 온도 범위에서 온도에 따라 변하지 않는 뚜렷한 초탄성 및 내피로성을 구현했다. 탄소 나노섬유 에어로겔이 우수한 열안정적 기계 성능을 보유하고 대규모 제조를 달성할 수 있기 때문에 극단 조건에서의 기계 완화, 압력감지, 에너지 감쇠 및 우주항공 태양 에너지 배터리 등 분야에서 중요한 응용 전망이 있다.

플라즈마를 이용한 그래핀 거시적 제조 달성

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중국과학기술대학교 공학과학대학 열과학·에너지공학학부 샤웨이둥(夏維東) 연구팀은 "자기분산 전기 아크(Magnetically Dispersed Electric Arc)에서 생성된 대면적 균일 열플라즈마를 이용한 그래핀 합성" 새 방법을 제안하여 열플라즈마 공법의 에너지 소모가 높고 제품 균일성이 낮으며 생산 안정성이 부족한 등 기술 어려움을 해결함으로써 대규모 연속 생산을 달성할 전망이다. 해당 성과는 "Carbon"에 게재됐다. 그래핀은 에너지 환경, 생물의료, 전자 소자, 화공 및 항공우주 등 여러 분야에서 중요한 응용 전망을 보유하고 있는 미래 혁신적인 기능/구조 재료로 인정받고 있다. 하지만 무선주파수 감응 가열 및 마이크로파 가열 플라즈마를 이용한 그래핀 제조는 에너지 소모가 높기에 산업화 응용이 어렵다. 또한 열플라즈마 열분해 탄화수소 화합물에 의한 그래핀 제조는 플라즈마 전기전도율이 온도의 증가에 따라 신속하게 상승하기에 전기 아크의 자동적인 매우 작은 범위 수축을 유발하여 그래핀 합성에 밀리초 수준의 반응 시간을 요구하므로 균일 가열을 달성하기 어려워 제품의 균일성이 차하고 에너지 소모가 높다. 연구팀은 자기 분산 전기 아크에 의한 대면적 균일 플라즈마 생성 기술을 개발하여 플라즈마로 물질을 신속하게 균일 가열하는 문제를 해결했다. 해당 기술로 제조한 그래핀 평면 크기는 50~300nm, 층수는 2~5층으로 양호한 결정구조 및 거대한 비표면적을 나타내고 제품 균일성이 우수했다. 또한 제조 방법 및 설비가 간단하여 1단계 합성이 가능하고 환원 과정이 필요 없을 뿐만 아니라 기질, 촉매, 용액 및 산(Acid)이 필요 없으며 고수율, 저에너지 소모, 저원가 등 장점을 보유하고 있기에 저원가 대규모 연속 생산을 달성할 수 있다. 해당 연구는 플라즈마 파라미터, 원료 기체 조성 및 나노 그래핀 형태, 층수 및 결함 사이의 관계를 연구함과 아울러 고순도 그래핀 생산에 요구되는 공법 조건을 규명했다. 또한 플라즈마 반응기 유동장/온도장 수치 시뮬레이션과 화학반응 동역학적 계산을 결합하여 그래핀의 형성 메커니즘을 제안함으로써 제품 생산 제어에 이론적 지침을 제공했다.

"나선형 광선"으로 이미지 정보 저장 능력을 100배 향상

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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

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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

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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

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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.