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“톈옌”으로 쌍성펄서계 최초로 발견

2020년 3월 27일, 중국과학원 국가천문대 박사연구생 왕린(王琳)/펑보(彭勃) 연구팀은 맨체스터대학교(The University of Manchester) Benjamin W. Stappers 연구팀 등과 공동으로 중국 톈옌(天眼)으로 불리는 직경 500미터 구면 전파망원경(FAST)으로 헤라클레스자리 구상성단(M13)에서 쌍성펄서계를 발견함과 아울러 펄서 타이밍 관측을 통해 해당 쌍성계는 1개의 펄서와 1개의 백색왜성으로 구성되었음을 입증했다. 이는 FAST에 의해 발견된 첫 쌍성펄서계이며 또한FAST에 의한 첫 펄서 타이밍 관측 연구 성과이다. 해당 성과는 "The Astrophysical Journal Letters(ApJ)"에 게재됐다. 2017년 12월부터 2019년 9월까지, 왕린 등은 FAST 초광대역 수신기로 1라운드 관측, 다중빔 수신기로 24라운드 관측 등 누계로 약 31시간 동안 관측을 수행하여 M13 에서 쌍성계에 위치한 밀리초 펄서 M13F를 발견했다, 또한 해당 성단(Star cluster) 중의 다른 1개 펄서 M13E가 식쌍성임을 입증한 한편 최초로 M13에서 M13F를 포함한 4개의 쌍성펄서계의 궤도 타원율을 측정함과 아울러 M13에서 현재까지 발견된 펄서의 세계에서 가장 좋은 타이밍 결과를 획득하였다. 이는 FAST가 구성성단에 대한 최초의 고감도 펄서 탐색 및 타이밍 결과로서 FAST의 흐릿한 미약 신호 펄서 탐사 능력을 보여줌과 아울러 구상성단 M13 중의 펄서 성질 및 분포 연구 공백을 메웠다. M13F 펄서는 두 가지 특성을 보유하고 있다. 1) 밀리초 펄서인 M13F는 밀리초 펄서이며 자전주기가 3밀리초이고 또한 M13 중에서 자전속도가 2번째로 빠른 펄서이다. 2) M13F 펄서는 쌍성계에 위치하여 있고 질량 하한이 태양 질량의 약 0.13배에 달하는 백색왜성과 상호 공전하면서 쌍성계를 형성하며 공전 주기는 1.4일이다. 해당 두 가지 특성은 주로 구상성단의 독특한 환경에 의해 초래된 것이며 향후 FAST로 M13에 대한 지속적인 장기간의 타이밍 관측을 수행하여 저밀도 구상성단 중 펄서의 진화과정을 규명할 필요성이 있다. 이번 첫 쌍성펄서계 발견을 통해 FAST는 알려지지 않은 쌍성펄서 발견 능력을 보유하고 있을 뿐만 아니라 기타 망원경에 비하여 더욱 우수하게 관측할 수 있음을 입증했다. 연구팀은 향후 지속적으로 FAST를 이용하여 더욱 많은 구상성단 펄서에 관한 연구를 수행하고 현재까지 발견하지 못한 펄서-블랙홀 쌍성 등 더욱 극한 조건의 쌍성계를 발견할 전망이다. 구상성단은 대량의 중력에 의해 구속된 항성으로 구성되고 대부분 은하헤일로에 존재하며 전파 펄서(Radio pulsar) 특히 밀리초 펄서 "생산 공장"으로 각광받고 있다. 현재 약 30개 구상성단에서 이미 157개 펄서가 발견됐는데 90% 이상이 밀리초 펄서이고 약 60%가 쌍성계에 위치하며 해당 비율은 은하원반 중의 펄서에 비하여 훨씬 높다. 이번 FAST에 의한 M13F 발견은 구상성단 펄서 샘플을 더한층 풍부히 하고 치밀한 천체 진화 연구를 추진할 전망이다. 2020년 1월, FAST는 순조롭게 국가 검수에 통과되어 오픈 운영에 돌입했으며 현재까지 "우주 등대"로 불리는 펄서를 114개 발견함과 아울러 검증했다. FAST는 펄서 시간측정 어레이, 드리프트 스캔(Drift-scan) 다학제 목표 전천탐사 등 과학관측 프로젝트를 지속적으로 가동하여 과학성과 창출 단계에 진입하고 있다.

비결맞음 조작 조건에서의 양자상태 전환 구현

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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.

50km 광섬유의 원거리 메모리 간 양자 얽힘 구현

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중국과학기술대학교 판젠웨이(潘建伟), 바오샤오후이(包小辉), 장챵(张强) 연구팀은 지난(济南)양자기술연구원 및 중국과학원 상하이마이크로시스템·정보기술연구소 연구팀과 공동으로 고광도 라이트와 원자 얽힘원, 저잡음 고효율 단일광자 주파수 변환 기술 및 원거리 단일광자 정밀 간섭 기술 연구를 통해 광섬유 거리가 50km인 두 개의 양자 메모리 얽힘에 성공함으로써 양자 리피터에 기반한 양자 네트워크 구축을 위한 기반을 마련했다. 해당 성과는 "Nature"에 게재되었다. 글로벌 양자 네트워크를 구축함과 아울러 이를 기반으로 양자 통신을 구현하는 것은 양자 정보 연구의 궁극적인 목표이다. 국제학술계에서 광범위하게 이용되고 있는 양자 통신 네트워크 개발 로드맵은 위성에 기반한 자유공간 채널을 통해 광역 대규모 전파를 달성하고 광섬유 네트워크를 통해 도시권 및 도시 간 지면 전파를 달성하는 것이다. 그러나, 광섬유에서의 광신호 지수 감쇠로 인해 최장거리 점대점 지면 안전 통신 거리는 수백 km에 불과하다. 원거리 점대점 전송을 분단 전송으로 변경하고, 양자 리피터 기술을 이용하여 캐스케이드를 진행하면 안전 통신 거리를 대폭 확장시킬 수 있을 뿐만 아니라 전체 양자 네트워크 구축을 가능하게 한다. 그러나, 빛과 원자의 얽힘 밝기가 낮고 원자 메모리 파장과 통신 광섬유의 비매칭 및 원거리 단일광자 간섭과 같은 기술적 어려움으로 기존의 최장거리 광섬유 양자 얽힘은 수 km 정도에 불과했다. 이러한 기술적 어려움을 해결하기 위해, 연구팀은 3개 분야의 기술을 중점적으로 공략했다. 1) 링 캐비티 증강 기술을 이용하여 단일광자와 원자시스템 간 결합을 개선하고 광경로 전송 효율을 최적화함으로써 기존의 빛과 원자 얽힘의 밝기를 1등급 업그레이드시켰다. 2) 원자 메모리가 대응하는 광파장이 광섬유에서의 소모가 약 3.5 dB/km에 달하기에 50km 광섬유에서 광신호가 10억분의 1(10-17.5)로 감쇠되어 양자 통신이 불가능한 문제점에 대해 연구팀은 자체적으로 주기적 분극 니오브산리튬 도파관을 개발하고 비선형 주파수 차이 과정을 통해 메모리의 광파장을 근적외선(795nm)에서 통신 대역(1342nm)으로 변환시켰으며 50km 광섬유를 통과한 후, 백분의 1 이상으로 감쇠되어 기존 효율보다 16배 향상시켰다. 3) 원거리 단일광자 간섭을 달성하기 위해 이중 위상 잠금 솔류션을 설계하여 성공적으로 50km 광섬유 전송 후 광경로 차이를 약 50nm로 제어하였다. 연구팀은 해당 기술을 결합하여 최종적으로 50km 광섬유 전송의 2극관 얽힘을 달성하고 22km 외부 광섬유의 2극관 얽힘을 구현했다. 현재 실험 단계에 처한 2개의 양자 메모리는 동일한 실험실에 위치하고 있다. 향후, 연구팀은 독립된 레이저의 위상 동기화 등 기술을 개발하여 진정한 원거리 2극관 실험을 달성할 예정이다. 해당 연구는 기존의 멀티노드 얽힘 기술(Nature Photonics, 13, 210, 2019), 리드베르크에 기반한 결정적 얽힘 기술(Phys. Rev. Lett. 123, 140504, 2019) 및 100밀리초 스토리지 기술(Nature Photonics. 10, 381, 2016)을 결부하여 양자 리피터와 전체 양자 네트워크의 실험 연구를 크게 촉진시킬 전망이다.

최초로 표준 양자 샤논 이론을 초월하는 양자통신 달성

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중국과기대 궈광찬(郭光燦) 연구팀의 리촨펑(李傳鋒), 류비헝(柳必恒) 등은 홍콩대학 이론물리학자와 공동으로 최초로 표준 양자 샤논 이론(Shannon theory)을 초월하는 양자통신을 달성했다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"에 게재됐다. 샤논 이론은 고전 정보이론의 기반이며 그중 정보 캐리어(Information carrier)는 고전 시스템이다. 20세기 40년대 말, 미국 수학자이며 정보이론 창시자인 클로드 샤넌(Claude Shannon)은 고전물리학적 법칙에 근거하여 데이터 전송 모델을 구축함과 아울러 정보이론을 구축했다. 고전 시스템을 기반으로 구축된 샤논 정보이론은 정보 캐리어(예를 들어 광자) 또는 통신채널(예를 들어, 광케이블)을 모두 고전 시스템으로 간주한다. 이들은 명확한 정의, 완전히 구분 가능한 상태를 보유하고 있다. 물리학자들은 정보이론 기반 양자 버전을 개발하여 정보 캐리어가 양자 시스템일 경우 어떠한 새로운 가능성이 생성되는 지를 연구하고 있다. 정보 캐리어를 양자 시스템에 보급할 경우 표준 양자 샤논 이론을 얻을 수 있다. 양자통신 및 양자정보의 기반인 해당 이론은 이미 양자정보 압축, 잡음 채널에서의 정보 전송, 양자얽힘 보조 기반 양자통신 등 분야에서 크나큰 성공을 이룩했다. 최근 2년 동안 이론적 연구를 통해 여러 개 채널 연결 순서가 결맞음 중첩(Coherent superposition) 상태일 경우 고전 정보 및 양자정보의 전송 속도는 표준 양자 샤논 이론에 비하여 더한층 향상됨을 발견했다. 이에 영감을 받고 리촨펑, 류비헝 등은 광학적 양자 스위치(Quantum switches)를 통해 2개 채널 두 가지 연결 순서 기반 결맞음 중첩 등 기술을 달성함으로써 결맞음 중첩 조작의 충실도를 97% 이상에 도달시켰다. 또한 이를 기반으로 고전 정보 및 양자정보의 고충실도 전송을 각각 달성했다. 실험 결과, 해당 연구는 표준 양자 샤논 이론 통신 모델(전송 경로 비결맞음 중첩)의 결과에 비하여 우수했다. 동 연구는 세계 최초로 양자 채널 인과 관계 순서 기반 결맞음 중첩을 이용해 표준 양자 샤논 이론을 초월하는 양자통신 원리의 실험적 검증을 달성했다. 이는 샤논 이론 제2 양자화(Second quantization)의 중요한 단계이며 양자 컴퓨팅, 양자 정밀 측정 및 양자 시공간 시뮬레이션에서 중요한 용도가 있다.

클래식 컴퓨터를 능가하는 신형 확장 가능한 광자컴퓨터 개발

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상하이교통대학교 집적양자정보기술연구센터 진셴민(金賢敏) 연구팀은 집적칩, 광자개념, 비 폰노이만아키텍처(Von Neumann architecture) 등을 결합시킨 광자컴퓨터를 개발하였다. 동 컴퓨터는 특정 난제 해결 분야에서 클래식 전자컴퓨터를 능가하는 잠재력을 보유할 뿐만 아니라 물리적 규모 확장도 가능하다. 해당 연구는 클래식 컴퓨터를 능가하는 연산능력 구현을 위해 참신한 아이디어를 제공하였고 또한 광자컴퓨터의 미래 가능성을 제시하였다. 해당 성과는 "Science Advances"에 게재되었다. 집적도의 지속적인 향상은 컴퓨터에 갈수록 강력한 연산능력을 부여하고 있다. 하지만 고도의 집적화로 초래되는 칩의 "방열 문제" 및 "양자 터널링 효과"로 인해 무어의 법칙이 머지않아 더 이상 적용되지 않을 것이란 연구보고도 속속 발표되고 있다. 새로운 연산방식 발굴은 인류의 연산능력을 더한층 향상시키는 중요한 수단이다. 이에 따라 양자컴퓨팅, DNA컴퓨팅, 광학컴퓨팅 등 연산방식이 제안되고 있다. 2019년 말에 구글은 53큐비트 양자컴퓨터를 선보이고 "양자패권"을 선언함과 아울러 최초로 비 폰노이만아키텍처의 비교우위를 규명하였다. 진셴민 연구팀은 취약한 양자특성에 의존하는 대신 광자 고유의 비교우위에 의존해 특정 연산문제에서 클래식컴퓨터를 능가하는 광자컴퓨터의 잠재력을 구현하였다. 해당 광자컴퓨터로 해석한 부분집합 합 문제(subset sum problem, SSP)는 연산 복잡도로 말하면 NP 문제(클래식 컴퓨터로 고효율적 솔루션이 불가능한 문제) 중 가장 어려운 유형에 속한다. SSP는 신형 컴퓨팅아키텍처의 연산능력 평가의 중요 지표로 이용할 수 있다. 연구팀은 SSP를 3종 기본구조로 구성된 3차원 집적광도파로네크워크에 성공적으로 매핑시킴과 아울러 펨토초레이저직접기록(femtosecond laser direct writing) 기술을 이용해 광자칩 내부에 기입하였다. 광도파로네크워크에 광자 주입시 연산과정은 활성화된다. 광자는 연산 매개체로서 광도파로네크워크에서 변화하는데 모든 가능한 변화경로 탐색을 통해 해(solution)를 찾는다. 광자컴퓨터의 병렬 연산방식, 집적광도파로네크워크의 조밀도(compactness) 그리고 빛의 매우 빠른 전파속도, 강한 간섭방지 능력 등에 힘입어 SSP 솔루션의 속도는 더 빨라졌고 물리적 규모 확장도 가능하다. 연구팀은 더 큰 규모의 광자칩 및 측정시스템을 구축해 더 큰 스케일의 문제 해결, 보다 강력한 연산능력 구현을 계획하고 있다.

중국산 원자로급 지르코늄재 3세대 원전에 본격 투입

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AP1000 기반 두 번째 원전장치—산둥하이양(海陽)원자력발전소 1호기에 대한 첫 핵연료교체 대규모 수리가 완료됨에 따라 궈허바오타이(國核寶鈦)지르코늄업유한회사가 생산한 3세대 원전용 원자로급 지르코늄재가 본격 투입되었다. 이는 중국이 원자로급 지르코늄재 국산화 목표를 성공적으로 달성하였음을 의미한다. 이로써 원자로급 지르코늄재를 장기적으로 수입에 의존하던 역사를 바꾸었다. 원자로 핵연료 소자의 구조재인 원자로급 지르코늄재는 원자력발전소에 필수적인 핵심재료이다. 동 회사는 "대형 첨단 가압수형원자로 및 고온 기체냉각식원자로 원자력발전소" 국가과기중대특별프로젝트 지원 하에 3세대 원전 원자로급 지르코늄재 국산화 자체적 달성 계획에 따라 A, B, C 세 가지 노선을 제정해 국산화를 추진하였다. 아울러 "튜브 반제품 수입, 원료 수입으로부터 원료 국산화 달성까지"의 적격성 평가를 차례로 통과하였다. 이번에 본격 투입된 국산화 AP1000 원자로급 지르코늄재는 원전 안전을 보장하는 첫 번째 보호장벽으로서의 역할을 수행한다.

최초의 화성 탐사 계획 임무의 무선 통합 테스트 완료

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2020년 3월 10일, 베이징우주비행제에센터(BACC)는 중국 첫 화성 탐사 임무의 무선 통합 테스트를 완료했다. 이로써 탐측기와 지상 시스템의 커넥터 매칭성 및 일치성을 충분히 검증함과 아울러 여러 방안, 기술 상태, 소프트웨어/하드웨어 시스템에 대하여 전면적인 테스트를 수행했다. 중국 화성 탐사 프로젝트의 전반적 계획에 따라 2020년, 중국은 최초로 화성 탐사 임무를 수행하게 된다. 이번 무선 통합 테스트는 임무센터와 우주선 비행 모델(Flight model)의 유일한 한차례 지상 통합훈련이다. 이번 훈련은 실제적인 비행제어 시스템 및 우주선을 채택했고 모든 주요 핵심 과정은 모두 1:1 전과정으로 훈련했으며 또한 프로젝트 시간대 계획에 따라 전체 예정한 프로젝트를 원만히 수행함으로써 예정된 효과에 도달했다. 중국이 수행하는 최초의 화성 탐사 임무는 1차적으로 화성에 대한 "선회, 착륙, 순찰" 등 3가지 목표를 달성할 계획이다. 화성 탐사기는 발사되어 약 7개월 후 화성에 도착한다. 따라서 기술 상태 변화가 클 뿐만 아니라 심우주 탐사 환경이 복잡하기에 비행제어가 매우 어렵고 위험성이 크다. 다음 단계에 비행제어팀은 여러 방안의 예비계획을 지속적으로 완벽화하고 조직프로세스를 최적화할 예정이다. 약 26개월에 한 번씩 지구와 화성은 가장 가까운 위치로 접근하는데 이때 화성 탐사기를 발사하면 대량의 연료를 절약할 수 있다. 2020년은 화성 탐사 좋은 시기이다. 현재 여러 나라에서 2020년에 화성 탐사기를 발사할 계획이라고 발표했다.

베이더우시스템의 54번째 네트워킹 위성 발사 성공

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2020년 3월 9일 19시 55분, 중국은 시창위성발사센터에서 창정 3호 을(长征三号乙) 운반로켓으로 베이더우(北斗) 시스템의 54번째 항법위성을 성공적으로 발사하였다. 이는 2020년의 첫 베이더우 항법프로젝트 관련 발사이다. 동 위성은 예정궤도에 진입 후 궤도변경, 궤도상 테스트, 시험평가를 거쳐 적시에 네트워크에 편입되어 서비스를 제공할 예정이다. 베이더우 시스템은 베이더우 1, 2, 3호 시스템의 3단계 순으로 구축되었다. 이미 퇴역한 베이더우 1호 4개 시험위성을 제외한 베이더우 2호 항법위성으로부터 시작하여 현재 중국은 도합 54개 위성을 발사했다. 베이더우 3호 시스템은 24개 중궤도(MEO) 위성, 3개 정지궤도(GEO) 위성, 3개 경사정지궤도(IGSO) 위성 등 도합 30개 위성으로 구성된다. 이번에 발사한 위성은 29번째 네트워킹 위성이자 2번째 GEO위성이다. 동 유형의 위성은 위성기반 증폭, 단문메시지 통신, 정밀 단일위치점 위치결정 등 특별서비스 제공 분야에서 핵심적 역할을 한다. 베이더우 3호 글로벌 위성성좌는 2020년 5월에 발사 예정인 GEO위성 1개를 마지막으로 전반적 구축이 마무리된다. 이번에 발사한 베이더우 항법위성 및 운반로켓은 각각 중국항천과기그룹 제5연구원, 제1연구원이 개발을 담당하였다. 이번 발사는 창정계열 운반로켓의 327번째 비행이다.

4세대 원전용 316H 오스테나이트 스테인리스강 제품 개발 성공

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안강(鞍鋼)그룹은 4세대 원전 600MW 시범 고속로(fast reactor) 프로젝트 316H 오스테나이트 스테인리스강 제품 개발에 성공함과 아울러 첫 계약 납품을 완료함으로써 무에서 유를 창조하기까지의 핵심난제를 해결하였다. 이로써 안강그룹은 세계에서 유일하게 전부 자체 장비로 해당 제품을 생산하는 기업이 되었다. 현재 중국의 3세대 원전기술은 세계 선진수준에 도달했고 4세대 원전기술은 세계 선두수준에 도달했다. 그 중 원자력에너지 발전 방향을 보여주는 4세대 원전 600MW 시범 고속로 프로젝트는 매우 중요한 전략적 의미를 지닌다. 316H 오스테나이트 스테인리스강은 동 프로젝트 핵심장비에 필수적인 강재이다. 원전용 316H 오스테나이트 스테인리스강은 일반적인 316H 오스테나이트 스테인리스강에 비해 그 차이가 엄청나다. 원전용 316H 오스테나이트 스테인리스강재 중 페라이트(ferrite), 결정입도, 입계부식(intergranular corrosion) 그리고 강판 머리부(Top)와 꼬리부(Tail) 성능 균일성 등에 대한 요구는 각박할 정도로 높아 재료 입찰시 중국 외 유명브랜드 원전용 스테인리스강 업체들마저도 감히 엄두를 못 냈다. 안강그룹은 2019년 1월 1일에 316H 오스테나이트 스테인리스강 개발을 "1호 프로젝트"로 확정지은 후 생산경험이 부족하고 제품과 관련된 기관이 많으며 공정이 복잡하고 기술지표 요구가 엄격한 등 어려움을 극복하였고 또한 그룹 산하 안강롄중(聯眾), 안강주강회사, 안강주식유한회사 등에 기반해 해당 스테인리스강 종류에 적합한 생산 공법 루트를 구축함으로써 제품 개발 성공 및 첫 계약 납품을 달성하였다. 향후 안강그룹 원전용 스틸담당 연구팀은 생산 공법 더한층 최적화, 공법 루트 개선, 생산원가 절감, 제조주기 단축 등 해당 제품 개발을 지속적으로 심화하여 중국 4세대 원전 600MW 시범 고속로 프로젝트 구축에 이바지할 계획이다.

재조합 코로나19 백신 임상시험 돌입

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2020년 3월 16일 20시 18분, 군사과학원 군사의학연구원 천웨이(陳薇) 연구팀이 개발한 재조합 코로나19 백신은 임상시험 승인을 받고 시험 단계에 돌입했다. 2020년 1월 26일, 연구팀은 우한(武漢)에 도착한 후 우한 현지 우수 기업과 공동으로 에볼라 백신 개발 경험에 기반하여 재조합 코로나19 백신의 약학, 약력학, 약리·독성학 등 연구를 수행함으로써 코로나19 백신 설계, 재조합 바이러스 씨드(Virus seed) 구축과 GMP 조건에서의 생산제조 그리고 제3자 백신 안전성, 유효성 평가와 품질 재검사를 신속하게 완료했다. 중국은 국제규범, 중국법규에 따라 재조합 코로나19 백신의 안전성, 유효성, 품질제어, 규모화 생산 사전준비를 이미 완료했다.

하부 해양지각 암석의 심층 미생물 및 생존 전략 입증

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해저의 단단한 암석권에 미생물이 존재할가? 그들은 어떻게 생명을 유지할가? 퉁지(同济)대학교 해양·지구과학대학 리장타오(李江涛) 연구팀과 미국 우즈홀 해양연구소의 공동 연구 결과에 따르면, 해양 하부 해양지각 암석에는 확실히 미생물이 존재하며 그들은 자가영양 방식으로 생존하기도 하지만 많이는 기성 유기물을 섭취하는 종속영양 방식으로 생존한다. 해당 연구 결과는 해양 하부 해양지각 암석에 존재하는 심층 생물권과 그들의 생존 전략을 밝혔다. 해당 성과는 "Nature"에 온라인으로 게재되었다. 샘플링 기술과 조건의 제한으로 해저 해양지각 암석 생물권 관련 연구와 이해는 아주 제한적이다. 연구팀은 2015년 11월 30일부터 2016년 1월 30일 사이에 수행한 국제해양탐사프로그램 (IODP) 제360차 항행에서 하부 해양지각 심층 생물권에 대한 연구를 전개했다. 서남인도양 중앙 해령 Atlantis II 변환 단층의 Atlantis Bank에서 코어 시추를 통해 해저 아래 809미터 범위 내의 하부 해양지각 반려암을 획득했다. 연구팀은 거의 800미터 깊이의 심층 단면에서 위로부터 아래로 가면서 11개 암석 샘플을 채취하여 분석하였다. 세포 염색 통계 결과, 하부 해양지각 반려암 중의 바이오매스는 극히 적으며 통상적인 해양 퇴적물과 상부 해양지각 표층 현무암의 바이오매스보다도 훨씬 적었다. 아울러, 일련의 증거에 따르면 해당 암석 중의 미생물은 세포가 완전하고 성장 발육이 가능했다. 연구팀은 유전자 발현 수준에서 미생물의 하부 해양지각 암석 극한환경에서의 생존 전략을 분석했다. 연구 결과, 수소산화, 메탄산화 및 유황/질소 순환 등 극한 해양 환경에서 흔히 볼 수 있는 화학적 자가영양 방법의 존재를 입증했다. 예상치 못한 점은 종속영양 과정과 관련된 유전자가 많이 발견되었으며 그 발현 수준은 자가영양 과정보다 훨씬 높았다. 이는 더 많은 미생물은 발효 가능한 유기 대분자를 이용하여 하부 해양지각 환경 생활에 적응함을 설명한다. 해당 연구 성과는 하부 해양지각 심층 생물권의 존재를 입증하고 지구권 내부 생물권 분포의 하한을 확장하였다.

단백질키나아제 CHK1, 심근경색 후 심근 세포 재생 능력 촉진

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난징(南京)의과대학교 제1부속병원(장쑤(江苏)성인민병원) 심혈관내과 왕롄성(王连生) 연구팀은 난징의과대학교 생식의학국가중점실험실 사쟈하오(沙家豪)/궈쉐장(郭雪江) 연구팀과 공동으로 단백질키나아제 CHK1의 과발현 및 활성화가 성인 생쥐 심근경색 후의 심근 세포 재생 능력을 거의 4배 향상 시킬 수 있음을 입증했다. 해당 성과는 "Circulation"에 게재되었다. 관상동맥성심질환 환자는 심근경색 발생 후 심장의 자체 회복 능력이 떨어진다. 심근세포 재생률은 노인의 경우 0.45%, 젊은이의 경우 1%에 불과하다. 일반적으로 사람의 심장은 하루에 약 10만회 뛰면서 인체에 산소와 영양이 풍부한 혈액을 공급한다. 심각한 허혈성 심장질환(관상동맥성심질환)에 걸리면 심근경색이 발생하고 막힌 혈관이 제때에 혈액 순환을 회복하지 못하면 심근 세포가 돌이킬 수 없이 사멸된다. 심근 세포 괴사 면적은 심장 기능을 결정하며 생존한 심근 세포는 재생 확률이 극히 낮다. 적극적인 치료 후에도 종종 심부전과 같은 합병증이 발생하여 환자의 삶의 질에 영향을 미친다. 연구팀은 심근 세포 단백질키나아제 CHK1의 발현과 활성 조절을 통해 심근 세포의 재생을 회복할 수 있음을 발견했다. 신생 생쥐의 심근경색 후 심근 재생 현상에 기반하여 인산화 단백질체학 기술을 이용하여 최초로 신생 쥐의 심근경색 후 단백질키나아제 기질 조절 네트워크를 밝혔다. 아울러, 연구팀은 CHK1이 활성화 후, 체내와 체외에서 심근 세포의 내인성 증식 능력을 촉진할 수 있음을 발견했다. CHK1의 발현을 억제하면 체내와 체외 신생 심근의 재생 프로그램이 손상된다. 또한, CHK1은 특정 신호 경로를 활성화함으로써 생쥐의 심근경색 후 심근 세포 재생 능력을 향상시킬 수 있으며 이는 심근경색 임상 치료를 위한 더 많은 표적을 제공한다.

20초만에 코로나19 감염여부를 판단하는 AI 진료시스템 개발

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중국 알리바바그룹 다모아카데미와 알리클라우드는 코로나바이러스19 검사를 위한 인공지능(AI) 시스템을 개발했다. 해당 시스템은 환자 흉부 CT 스캔에서 코로나바이러스19를 검출하는데 정확도가 96%에 달하고 진단 시간은 20초로 단축되었다. 해당 AI 시스템은 5,000개의 확진된 코로나바이러스19 사례 영상과 데이터에 기반하여 개발하였다. 2020년 2월 16일에 허난(河南)성 정저우(郑州)시 치보산(岐伯山) 병원에서 최초 채택되었고 현재 후베이(湖北)성, 상하이, 광둥(广东)성, 장쑤(江苏)성 등 16개 성시의 26개 병원으로 확대되었으며 중국의 100여 개 병원에 보급될 예정이다. 해당 AI 시스템은 병원 업무를 줄이고 코로나바이러스19 진단 효율을 높이며 의료진의 부담을 덜어줄 전망이다. 한편, 중국의 핑안(平安)보험사도 최근 유사한 시스템인 스마트영상열독 시스템을 개발하여 1,500여 의료 기관의 5,000여명 환자들에게 무료 스마트영상열독 서비스를 제공했다. 해당 시스템은 약 15초에 지능 분석 결과를 생성하며 정확도가 90% 이상에 달한다.

보하이 라이저우만에서 20m 두께 오일층 발견

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2020년 3월 18일, 중국해양석유집단유한공사(CNOOC)는 보하이(渤海) 라이저우만(萊州灣) 북부 컨리(墾利) 6-1-3호정에서 약 20m 두께의 오일층을 발견했다. 테스트 결과, 단일 시추정의 원유 연간 생산량은 40여만 통에 달할 전망이다. 이는 라이저우만 북부 지역의 첫 대형 유전이다. CNOOC는 20세기 70년대 말부터 라이저우만 북부 지역에서 40여 차의 탐사를 수행했지만 효과가 이상적이지 못했다. 발견된 갱정의 원유 저장량 규모가 작고 분산되어 효과적인 생산능력을 달성하기 어려웠다. 2019년, CNOOC는 비상규적인 이론 및 기술을 기반으로 해역에서의 대·중형 석유가스전 탐사를 수행하여 10여 개 새로운 석유가스전을 발견했다. 또한 탐사 방법 혁신을 통해 라이저우만 북부 석유가스전의 집결 규칙 및 탐사 경로를 파악했다. 연구 결과, 컨리 6-1 유전은 저장량 규모가 크고 오일 품질이 좋으며 생산능력이 높았다. 이번에 발견한 컨리 6-1-3호정 20m 두께 오일층의 시추 깊이는 1,596m에 달한다. 동 발견은 해당 지역에서 40여 년 동안 상업용 석유가스를 발견하지 못한 국면을 개변시킴과 아울러 보하이 남부 지역의 거대한 탐사 전망을 보여줌으로써 보하이 유전에서 지속적으로 10년 동안 안정적인 생산을 달성하고 4,000만 t의 생산 목표를 달성하는데 튼튼한 기반을 마련했다. 향후 CNOOC는 보하이 19-6 테스트 영역 및 중국 첫 자체 경영 전체 장비 심해 유전 류화(流花) 16-2 등 8개 새로운 프로젝트의 순리적 가동을 지속적으로 추진할 전망이다.

장순환 안정성 칼륨이온 배터리 양극 재료 개발

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중국과학원 선전(深圳)첨단기술연구원 기능성박막재료연구센터 탕융빙(唐永炳) 연구팀은 칭화(清华)-버클리(Berkeley)국제대학교 청후이밍(成会明) 연구팀과 공동으로 장순환(long-circulating) 안정성을 구비한 신형 칼륨이온 배터리 양극 재료를 성공적으로 개발했다. 해당 성과는 "Nature Communications"에 온라인으로 게재되었다. 칼륨이온 배터리의 음극과 전해질의 개발은 비교적 성숙한 반면, 양극 재료 개발은 비교적 느리다. 주요 원인은 칼륨이온의 반가가 리튬이온 보다 현저히 크고(1.38 vs 0.76 옹스트롬), 양극이 칼륨이온에서 탈삽입(de-intercalation)될 때 결정 구조가 쉽게 붕괴되어 배터리 성능이 빠르게 저하되기 때문이다. 기존의 해결책은 비교적 큰 이온 확산 채널이 칼슘이온을 자유롭게 출입할 수 있는 프러시안 블루 유사체와 같은 개방형 재료를 찾는 것 이다. 그러나 프러시안 블루 유사체의 결정격자 구조는 제조 과정에서 용매 물분자를 쉽게 도입하며 이들은 한편으로는 채널 위치를 차지하여 칼륨이온의 확산을 방해하고 다른 한편으로는 전해질과 반응하여 배터리 용량을 신속하게 감쇠시킨다. 연구팀은 고안정성 개방형 결정 프레임워크 구조를 구비한 플루옥실레이트 폴리머 음이온 칼륨 전기 양극 재료(KFeC2O4F)를 성공적으로 개발했다. 해당 양극 재료의 3차원 구조 프레임워크는 4.3×4.2옹스트롬, 6.3×3.7옹스트롬 등 다양한 사이즈의 채널을 포함하기에 탈삽입 칼륨으로 인한 체적 변화는 7.6 %에 불과하여 고안정성을 구비한 LiFePO4 양극 재료(~7.8 %)와 맞먹으며 프레임워크는 "호흡"을 통해 칼륨이온의 가역 탈삽입을 허용하고 아울러 Fe2+/Fe3+의 산화환원 반응을 동반한다. 해당 칼륨 전기 양극 재료는 0.2Ag-1 전류에서 112mAhg-1의 가역 용량과 우수한 순환 안정성을 나타내며 2,000차 순환 후의 용량은 94%를 유지하여 대규모 에너지저장 분야에서 잠재적인 응용 전망을 갖고 있다. 해당 연구 성과는 저가 금속 기반 신형 칼륨전기 양극 재료의 개발을 위한 참고가치가 있다.

오염을 줄일 수 있는 신형 유황시약 개발

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안후이농업대학교 농산품품질안전 성급실험실 리야후이(李亞輝) 연구팀은 기존 유황시약의 심각한 오염 문제를 해결할 수 있는 신형 유황시약을 개발해 함황화합물 합성에 새 경로를 제공했다. 해당 성과는 "팔라듐 촉매 할로겐화 벤젠과 티오에테르, 설포리피드 분자 간 유황기 전이"란 제목으로 "Chemical Science"에 게재되었다. 의약, 농약, 고분자재료 등에서 흔히 볼 수 있는 함황화합물은 수많은 약물분자의 핵심 약물작용발생단(pharmacophore)으로서 그 제조 관련 연구는 줄곧 관심을 받고 있다. 함황화합물 제조시 보편적으로 유황시약을 필요로 하는데 일반적인 유황시약은 환경을 오염시키고 제조가 어려우며 악취를 풍기는 등 문제가 있고 또한 사용과정에 쉽게 환경오염을 유발하는 것은 물론 작업자 신체에도 피해를 준다. 따라서 새 함황화합물 합성경로 개발은 업계의 미해결 과제로 되고 있다. 기존 함황화합물의 제조 경로는 기질(substrate)을 통해 유황시약과 합성시키는 것이다. 연구팀은 역발상 방식을 활용해 기존의 염가 함황화합물을 화학반응에서 유황시약 분자형식으로 되돌린 다음 새 기질과 반응시켜 새 함황화합물을 합성할 수 있을지를 설계하였다. 관련 메커니즘에 대한 연구에 기반해 금속으로 기존 함황화합물을 산화첨가(oxidative addition)시켜 중간체를 획득한 다음 분자 간 금속교환반응(transmetallation)을 거쳐 새 함황화합물을 성공적으로 합성하였다. 해당 유형의 신형 유황시약은 일반적인 유황시약의 사용을 회피함으로써 환경에 대한 오염 및 인체에 대한 피해를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 시약원(reagent sources)을 확장함으로써 의약, 농약 중 함황화합물 제조에 새 아이디어를 제공하였다.

세계 최초 상온상압 유기액상수소 저장재료 생산장치 착공

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중국화학공정그룹(CNCEC) 우환(五环)엔지니어링회사는 우한 Hynertech회사(武汉氢阳能源)와 10,000톤/년 액상수소 저장 프로젝트 EPC 총도급 계약을 체결하였다. 이는 세계 최초의 대규모 산업화 상온상압 액상수소 저장 재료 생산 장치의 건설 프로젝트가 본격 가동되었음을 의미한다. 해당 프로젝트는 액상유기수소운반체(LOHC) 수소 저장 특허 기술을 이용하여 기존의 수소 에너지 산업이 직면한 저장, 운송, 응용 등 분야의 저안전성 및 고비용 문제점 효과적으로 해결하고 세계 앞선 수준을 보여줄 전망이다. 수소 에너지 개발은 중국에서 전성기를 맞이하고 있으며 중앙 및 지방 정부의 적극적인 지원을 받고 있다. 그러나 수소 에너지 산업의 기술적 어려움으로 인해 대규모 저비용 수소의 제조, 저장, 운송 및 응용은 심각한 제한을 받고 있다. 우환엔지니어링회사는 고형폐기물 가스화 수소제조, 석탄 수소제조, 천연가스 수소제조 및 바이오매스 수소제조 등 분야의 풍부한 엔지니어링 관리 경험과 기술 우위를 이용하여 수소 에너지 개발 및 응용 분야의 로드맵을 그렸다. 2017년에 우한 Hynertech회사와 전략적 협력 파트너십을 체결하여 상온상압 유기액상수소 저장재료 기술에 대한 공동 연구를 전개하고 실질적인 성과를 이루었다. 세계 최초의 1,000톤급 상온상압 유기액상수소 저장재료 시험 장치를 개발하였고 수소 첨가/탈수소 촉매제 생산라인도 이미 가동 중이다. 또한, 첫 번째 중형액상수소저장 수소 첨가(수소 오일) 테스트 장치가 건설 중이며 부설 수소 첨가 및 탈수소 설비 제조 공장도 준비 중이다.

사용수명을 50% 이상 향상시킬 수 있는 고성능 스프링강 개발

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양저우(揚州)대학교 기계공학대학 류청(劉澄) 연구팀은 새로운 공정기술을 활용해 양질의 고성능 스프링강을 성공적으로 개발하였다. 해당 스프링강의 경도(hardness), 피로강도, 압축성능 등은 유럽·미국의 기존 스프링지수를 전부 초과하여 향후 첨단기계, 항공우주, 해양 등 중하중 조건의 장비에 중점적으로 응용될 전망이다. 접시스프링 및 밸브스프링은 동작기계의 주요 부품이다. 현재 중국 내에서 생산되는 접시스프링 및 밸브스프링은 보편적으로 강도가 낮고 탄성인성이 떨어지며 피로성능이 부족한 등 문제가 있는데 이는 흔히 스프링의 사용수명을 떨어뜨림과 아울러 갑작스러운 조기 실효 및 균열을 쉽게 발생시켜 기계 고장, 자동차 시동정지 심지어 엔진연소 등을 초래할 수 있다. 연구팀은 새로운 멀티스텝 저온등온 담금질 공법을 활용하고 다상(multiphase) 나노구조 공명강인화 원리를 이용해 초강, 초경, 양호한 압축성능, 녹색 에너지절약형 생산라인을 구비한 양질의 스프링강을 제조하였다. 또한 이론적 모델링 및 공정 디버깅을 통해 상(phase)별 성분 배합비가 일정한 스프링 제품을 획득함으로써 우수한 종합성능을 확보하였다. 연구팀이 개발한 신형 접시스프링 제품은 업계의 10t 하중 압축성능 요구를 만족시킬 뿐만 아니라 경도, 강도, 피로수명 등도 기존 중국 내 접시스프링을 초과하였는데 이는 중국 외 최상급 고성능 제품에 뒤지지 않는다. 연구팀이 채택한 공정가열 과정은 작업인원수와 환경오염을 줄였고 녹색, 친환경, 고효율 지속가능한 발전의 산업목표를 달성하였다. 해당 성과와 생산 공법기술은 양저우허웨이(核威)접시스프링제조유한회사에 시범 응용되었는데 제품의 사용수명은 기존 중국 내 기타 스프링제품에 비해 50% 이상 향상되었다.

고체물질 형태의 결정 및 준결정 융합 구조 특성 발견

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베이징과기대 신금속재료국가중점실험실 허잔빙(何戰兵) 등은 새로운 고체물질 형태를 발견했다. 해당 형태는 결정구조의 결정(Crystal)과 준결정의 "수화불상용" 모순을 교묘하게 해결함으로써 원자배열의 "신기한 마법" 현상을 보여준다. 현재 해당 물질의 물성은 아직 밝혀지지 않았지만 물질의 주기성과 관련된 특수한 물성이 있을 것으로 예상된다. 해당 성과는 "ActaCrystallographica. Section A"에 게재됐다. 일반적인 물질 형태에는 고체, 액체, 액정, 기체, 플라즈마 등 상태가 있다. 그 중의 고체상태 물질을 또한 결정, 준결정, 비결정으로 나눌 수 있다. 준결정은 평행이동 주기적 대칭성을 보유하지 않지만 장거리 경향성 규칙적 물질 형태를 보유하고 있다. 전통적인 결정 재료와는 달리 준결정에는 주기적 중복 배열이 가능한 단위셀(Unit cell)이 1개도 없기에 평행이동 대칭성이 없다. 주기적 평행이동은 준결정과 전통적인 결정의 가장 본질적인 구분이다. 하지만 이번에 발견된 새로운 고체 물질 형태는 주기적으로 배열된 구조 블록(Structural block) 사이에 비주기적 구조 블록이 삽입되어 형성된 것으로 전통적인 결정 재료의 주기적 평행이동 대칭성과 준결정의 준주기성(Pseudo-periodicity)을 보유하고 있으며 결정 및 준결정의 구조 특성을 융합하고 있다. 연구팀은 투과전자현미경학적 특히 원자급 해상도에 도달할 수 있는 구면수차 보정 투과전자현미경적 연구를 통해 Al-Cr-Fe-Si 합금에서 이미 알려진 물질의 상태와 다른 신기한 물질의 형태를 발견했다. 해당 물질의 상태는 준결정과 관련된 구조 블록으로 구성됐지만 그 중의 일종 경향성 구조 블록은 주기적 배열을 나타내는바 결정 재료와 같은 평행이동 단위셀을 보유하고 있다. 또한 해당 주기적 배열 구조 블록 사이에 비주기적 배열 구조 블록이 삽입되어 있는데 이는 전통적인 결정상과 다르다. 주기적 구조 블록의 존재로 해당 구조는 준결정에 속하지 않으며 비주기적 모듈화 구조(Modulated structure), 1차원 튜브형 주관적-객관적 구조 및 무질서 얼음 관련 구조와도 다른 일종의 새로운 물질 형태에 속한다. 현재 해당 유형의 물질 형태를 합금에서 발견했지만 그 구조 특성은 합금 체계를 벗어나 유기재료, 나노 자기조립 재료, 다공성 재료 등 체계에도 존재할 수 있다.

자체로 신형 첨단 멜트블로운 원단 생산설비 개발

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장쑤성 창저우시(常州市)우진(武進)광위(廣宇)꽃무늬롤기계유한회사(이하 우진기계회사)가 자체 개발한 신형 첨단 멜트블로운 원단 생산 설비의 첫 번째 2세트 설비가 베이징옌산(燕山)석유화공회사에서 본격 가동됐다. 해당 설비의 전체적인 생산기술 수준은 세계 선진 수준에 도달함으로써 국외 동일 유형 의료방호품 원료 생산기술 장비를 대체할 수 있다. 여과재인 멜트블로운 원단은 생산공법이 복잡하고 기술적 난이도가 높다. 기존 중국의 첨단 멜트블로운 부직포 생산설비 및 의료방호용 멜트블로운 원단 생산기술은 장기간 수입에 의존했기에 부직포 원단 산업의 발전을 크게 제한했을 뿐만 아니라 의료방호의 특수 요구를 만족시키기 어려웠다. 우진기계회사는 기계설계에서 기술통합에 이르기까지의 여러 어려움을 극복함으로써 기존의 시장 제품에 비하여 자동화 수준이 높고 생산능력이 강하고 제품 품질이 안정적인 첨단 멜트블로운 원단 생산설비를 개발했다. 해당 설비로 생산한 의료방호품은 바이러스 전염을 효과적으로 차단할 수 있으며 2019년 장쑤성 첫 중대 장비 제품으로 선정됐다. 중국석유화공집단(Sinopec)은 마스크 핵심 원료가 부족한 상황에 대응해 베이징옌산석유화공의 2가닥의 멜트블로운 원단 생산라인과 3가닥의 스펀본드 원단 생산라인을 중점적으로 구축하기로 했다. 2020년 2월 21일, 우진기계회사는 설비의 긴급 생산 임무를 접수한 후 생산공법 프로세스를 최적화함과 아울러 망형성 장치, 권취기, 절단기 등 멜트블로운 부직포생산 장치의 핵심 설비 제조에 들어갔다. 2020년 3월 3일, 첫 번째 2세트 멜트블로운 원단 생산 설비를 옌산석유화공회사 현장에 운반하여 설치했고 2020년 3월 5일, 전체 생산라인 디버깅(Debugging)을 완료했으며 2020년 3월 8일, 순조롭게 생산에 들어갔다. 현재 옌산석유화공회사의 멜트블로운 원단 일일 생산량은 6t에 달하며 600만 매의 의료용 마스크를 생산할 수 있다.

약물내성을 발생하지 않는 은나노 고효율적 항균 새 방안 개발

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허페이공업대학교 화학·화공대학 허타오(何濤) 교수와 식품·생물공정대학 자정바오(查正寶) 교수는 공동으로 약산응답 재조합 기능을 보유한 은나노클러스터 수성분무액(aqueous dispersion)을 개발하였다. 해당 분무액을 상처에 뿌린 후 약물내성 세균 감염을 고효율적으로 표적 치료할 수 있다. 아울러 세균은 박멸하면서도 내성균을 발생하지 않는다. 이를 통해 연구팀은 고효율 항균 새 방안을 제안하였다. 해당 성과는 "Advanced Functional Materials"에 온라인으로 게재되었다. 세균감염 특히 약물내성균 감염은 인간건강 및 사회의료보건시스템에 날로 심각한 위협을 가져다주고 있다. 더욱이 기존 항생제 남용은 세균으로 하여금 쉽게 약물내성을 발생하게 한다. 항생제에 저항력을 가진 세균의 감염은 공중보건에 있어 최대 과제로 되었고 따라서 효과적인 항균재료 및 방안 개발이 시급해졌다. 약물내성균 감염 고효율적 치료를 목표로 연구팀은 약산응답 오쏘에스터(orthoester)류 폴리머를 안정제로 하고 원위치 질산은 환원을 통해 크기가 균일한 은나노클러스터를 제조하였다. 해당 은나노클러스터를 세균의 산성 미세환경에 노출 시 소수성 은나노과립으로 빠르게 해리(dissociation)되어 순간적으로 대량의 은이온을 방출함으로써 빠르고도 효과적인 멸균을 구현한다. 이어서 은나노과립은 세균 인근에서 재조립되는 한편 세균 표면에 표적화 응집되어 장기적으로 은이온을 방출함으로써 지속성 살균을 구현한다. 일반적인 무응답성 나노은에 비해 은나노클러스터의 약산응답 재조합 효과는 메티실린 내성 황색포도상구균 및 대장균에 대한 표적화 항균활성을 대폭 향상시켰고 또한 은의 사용량도 줄였다. 실험 결과, 메티실린 내성 황색포도상구균에 대한 최저 억제농도 및 최저 살균농도는 각각 4μg/mL, 32μg/mL였고 대장균에 대한 최저 억제농도 및 최저 살균농도는 각각 8μg/mL, 32μg/mL였다. 해당 은나노클러스터 분무액을 피부 상처 표면에 뿌릴 경우 메티실린 내성 황색포도상구균 감염성 상처의 치유 효과를 뚜렷하게 높일 수 있다.

집적형 고체 양자 메모리 개발

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중국과학기술대학교 궈광찬(郭光灿) 연구팀은 펨토초 레이저 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 고충실도의 집적형 고체 양자 메모리를 구현하고 자체 개발한 장비에 기반하여 최초로 희토류 이온의 전자스핀 및 핵스핀 간섭 수명을 전반적으로 향상시켰다. 해당 성과는 "Optics"와 "Applied Physics Review"에 각각 게재되었다. 현재, 고체 양자 메모리 연구는 두 가지 과제에 직면하고 있다. 기존의 고체 양자 저장 실험에서 사용된 저장 매체는 대부분 괴상 결정체로서 광섬유 네트워크나 집적 광학 칩에 직접 연결시킬 수 없기에 대규모 확장성 응용이 어렵다. 한편, 희토류 이온의 전자스핀 및 핵스핀과 결정체 내 포논의 상호 작용은 양자 메모리의 간섭 수명을 심각하게 제한한다. 연구팀은 확장성 문제를 해결하기 위해, 펨토초 레이저 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 최초로 유로퓸 도핑 이트륨 실리케이트 결정체에서 광도파로를 에칭하고 집적형 고체 양자 메모리를 개발했다. 실험으로 원자 주파수 조합(AFC)과 저소음 반송파 복구(ROSE)의 두 가지 광학 양자 저장 방식을 시뮬레이션한 결과, 두 가지 방식에 해당하는 충실도는 각각 99%와 97% 이상으로 해당 집적형 양자 메모리는 아주 높은 신뢰성을 구비했다. 극저온(<0.5K) 펄스 전자와 핵스핀 이중 공명 분광계(ENDOR)를 구축하여 포논을 감소하고 전자스핀을 분극화하는 방법은 간섭 수명 제한 문제에 대한 효과적인 해결 방안이다. 연구팀은 세계 최초의 극저온 펄스 전자와 핵스핀 이중 공명 분광계를 구축하고 최저 작동 온도를 0.1K로 엄격하게 정했다. 0.1K의 작동 온도에서 전자스핀과 핵스핀 간섭 수명은 수량급으로 향상되었다. 이는 최초로 희토류 이온에서 극저온을 통해 관찰된 스핀 간섭 수명의 뚜렷한 향상이다.

중국파쇄중성자원 타겟팅 빔 출력 100kW 설계지표에 도달

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중국파쇄중성자원(CSNS) 타겟팅 빔 출력이 100kW 설계지표에 도달함과 아울러 100kW 안정적 빔제공 장치운영을 개시하였다. 이로써 중국은 해당 설계지표 도달시간을 계획보다 1년 6개월 앞당겼다. 중국과학원 고에너지물리연구소 둥관(東莞)지부 가속기빔조정 연구팀은 2020년 2월 3일 계획대로 빔 커미셔닝(beam commissioning) 작업에 들어갔다. 연구팀은 앞서 완성한 대량 준비 작업을 토대로 약 1개월 동안 세심한 디버깅 끝에 빔 커미셔닝 목표를 달성하였다. 고강도 가속기(high intensity accelerator) 빔조정에서 가장 어려운 작업은 빔손실(beam loss) 제어이다. 현재 100kW 운행 상황에서의 제어불능 빔손실은 80kW 운행시에 비해 나아져 타겟팅 작동의 요구를 만족시킨다. 국제 동일 유형 장치의 빔조정 경험을 근거로 CSNS 타당성조사보고서는 프로젝트 검수 후 3년 내(2021년 8월까지)에 빔 출력을 100kW 설계지표에 도달시킨다고 명시하였다. 연구팀의 빠르고도 고효율적인 빔조정 작업으로 해당 시간은 1년 6개월 앞당겨졌는데 이는 고품질적 프로젝트 구축 및 전단계 세심한 빔조정 준비작업 더욱이 연구팀의 끈질긴 노력의 성과이다. CSNS 프로젝트는 2018년 8월 23일에 국가발전개혁위원회 검수를 통과하고 본격적으로 유저오픈 운영에 투입되었다. 그 후 각항 검수 임무 및 빔 커미셔닝 임무를 완수함과 아울러 가속기 빔조정 기계 연구도 계획적으로 수행하였다. 이러한 작업으로 CSNS 빔 출력은 각각 2018년 9월에 20kW, 2019년 1월에 50kW, 2019년 10월에 80kW에 도달했고 이번에 100kW 설계지표에 도달하였다. 이외 2019년 유저오픈 운영 임무도 초과 완성하였는바 당해 실제 오픈서비스 제공시간은 4,576h로 당해 계획시간 3,600h를 초과하였다. 아울러 가속기 빔제공 효율도 92.6%에 도달시켰다. 상기 성과는 곧 가동될 CSNS 프로젝트 2기 설계 작업에 소중한 경험을 제공하였고 또한 2기 프로젝트 구축을 위해 튼튼한 기반을 마련하였다.

신형 고활성 고안정성 나노촉매 합성

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중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소 황자후이(黃家輝) 연구팀과 차오보타오(喬波濤) 연구팀은 옌산(燕山)대학교 쑨커쥐(孫科舉) 연구팀과 공동으로 고활성 및 고안전성을 동시에 구비한 금나노 촉매 합성의 새 전략을 개발해 신형 고안정성/고활성 금나노 촉매 제조에 새 아이디어를 제공했다. 해당 성과는 "Nature Communications"에 게재됐다. 금나노 촉매는 금나노를 촉매 활성 성분으로 하는 촉매로서 그 촉매반응 활성은 금입자의 크기와 밀접히 연관된다. 금입자 크기가 5nm 보다 작을 경우 금나노 촉매는 뛰어난 촉매반응 활성을 나타낸다. 금나노 촉매는 산업화 응용 전망이 밝은 촉매로서 일산화탄소 산화, 프로필렌 에폭시화, 알코올/알데히드 선택적 산화 등 수많은 반응에서 독특한 촉매반응 성능을 나타내고 있다. 하지만 금나노 입자는 고온 배소(Roasting) 또는 촉매반응, 심지어 저온 촉매반응 과정에서 쉽게 소결 또는 응집되기에 안전성이 떨어져 금나노 촉매의 산업에서 응용을 크게 제한한다. 따라서 고안정성 금나노 촉매 개발은 관련 분야의 주요 연구 과제로 되고 있다. 금속 담체의 강한 상호작용, 산화물 피복, 분자체(Molecular sieve) 세공 제한 등 다양한 방법을 통해 금나노 촉매의 안정성을 대폭 개선시킬 수 있지만 해당 방법은 일반적으로 부분적 활성부위 손실을 초래한다. 따라서 획득한 나노촉매의 촉매반응 활성이 떨어진다. 연구팀은 염화금산(Chloroauric Acid)을 금 전구체로 하고 테트라에틸오르토실리케이트(Tetraethyl orthosilicate)를 규소 전구체로 했다. 그리고 염기성 조건에서 공침법으로 금과 규소 전구체를 산화티타늄 표면에 1단계 침적시켰으며 고온 배소를 통해 산화규소로 수식된 금나노 촉매를 획득했다. 동 방법은 제조에 있어서 금과 산화규소의 원자급 혼합을 달성했으며 배소를 통해 산화규소 박막으로 피복된 금나노 촉매를 형성했다. 해당 촉매는 매우 높은 항소결(Anti-sintering) 성능을 보유함과 동시에 매우 높은 반응 활성을 보유하고 있기에 0℃에서 일산화탄소를 완전히 산화시킬 수 있다.

블레이자의 브라이티닝 및 블루닝 현상 이중인증

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윈난(云南)성 천문대 연구팀은 중국 최대 범용 광학망원경인 리장(丽江)천문대 2.4미터 망원경을 이용하여 블레이자 준동시성 스펙트럼 변화와 측광 광변 관측을 통해 블레이자 광변 및 색상 변화와 관련된 연구를 수행했다. 스펙트럼과 측광 관측에서 모두 밝고 푸르게 변화하는 현상을 발견했고 색상과 밝기, 색상 변화율과 밝기 변화율 사이에는 강한 상관관계가 존재하며 색상 변화가 밝기 변화보다 앞섰다. 해당 연구 결과는 "The Astrophysical Journal, ApJ"에 게재되었다. 블레이자는 활동은하핵의 한 종류로 상대론적 제트와 시선각이 비교적 작다. 밝고 푸르게 변하는 것은 블레이자의 특수한 광변 현상으로 색등급도에서 일종의 상관성을 나타내고 제트 충격파 모델의 관측 증거로 간주된다. 그러나 기존의 관측 연구에서는 블레이자의 이러한 상관관계를 발견하지 못했거나 미약한 상관관계만 발견했다. 연구팀은 2018년 11월부터 2019년 3월 사이에 리장천문대 2.4미터 망원경을 이용하여 성공적으로 TeV 감마선 블레이자 S5 0716+714에 대한 45차의 분광 관측과 44차의 다주파대 측광 관측을 진행했다. 연구 결과, 해당 블레이자의 준동시성 스펙트럼과 측광 광변은 모두 밝고 푸르게 변하는 추세를 나타냈으며 밝기 변화율-색상 변화율 차트에서 밝고 푸르게 변하는 추세가 더 뚜렷했다. 스펙트럼 지수 변화는 플럭스 밀도 변화보다 앞서고 색상 지수 변화는 별의 등급 변화보다 앞섰다. 밝고 푸르게 변하는 현상은 관측 주파수 범위의 싱크트론 방사선피크 주파수에 대한 상대적 위치에 의존할 가능성이 있다. 예를 들면, 관측 주파수 범위는 싱크로트론 피크 주파수의 좌측에 있다. 또한, 데이터 전처리, 스펙트럼, 측광 플럭스 보정 및 스펙트럼 피팅 등 데이터 분석을 통해 해당 물리량의 시계열을 측정했다. 측정 결과, 스펙트럼 지수 변화율, 스펙트럼 플럭스 밀도 변화율, 플럭스 밀도 상대적 변화율, 색상 지수 변화율 및 별의 등급 변화율 사이에 강한 상관관계가 존재했다. 이러한 새 발견은 블레이자 중의 방사선 메커니즘과 광변화 메커니즘에 대한 심층 파악에 도움을 준다.