기술동향
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세계 최초로 단일 카이랄성 탄소나노튜브 긴 공액사슬 단편 합성

중국과학기술대학교 두핑우(杜平武) 연구팀은 정밀 분자설계를 통해 세계 최초로 단일 카이랄지수(chiral index) 단일벽 탄소나노튜브의 긴 공액사슬 단편을 합성하였다. 해당 성과는 표지논문 형식으로 "JACS"에 게재되었다. 탄소나노튜브는 sp2 결합 원자만을 함유한 완전 탄소 기반 관상 공액중합체(conjugated polymer)로 볼 수 있다. 하지만 특정 지름의 탄소나노튜브 단편 긴 공액중합체 관련 연구는 보고된바 없다. 단일 지름/카이랄성을 보유한 순수 탄소나노튜브 재료는 나노과학기술 및 전자학 분야에서 중요한 응용 잠재력을 보유하지만 해당 탄소나노튜브 합성은 합성화학 및 재료화학 영역에서 해결해야 할 과제로 남아있다. 촉매 표면 매개 성장 방법은 탄소나노튜브 제조 분야에서 거대한 잠재력을 보여주고 있지만 나노튜브 순도 문제를 극복해야 하는 어려움이 존재한다. 연구팀은 탄소나노튜브 새 구조 합성 및 물리성질 분야에서 수행한 일련의 선행연구에 기초하여 이중 기능화 구조를 만곡 공액소분자 탄소고리에 교묘하게 인입한 후 니켈 촉매 커플링반응을 통해 해당 단편의 1차원 방향에서의 신장을 구현함으로써 특정 지름 단일벽 탄소나노튜브 긴 공액사슬 단편을 구축했다. 또한 겔투과크로마토그래피, 핵자기, 적외선 및 라만분광 등 특성화 방법을 통해 탄소나노튜브 긴 공액중합체의 성공적 합성을 입증하였다. 광각 방사선 회절 테스트를 통해 중합체 고체박막은 뚜렷한 회절고리를 보유하며 일정한 결정화도(crystallinity)를 나타냄을 발견했다. 단량체와 공액중합체의 흡수, 형광 및 형광감쇠곡선 비교를 통해 공액 수준의 증가는 중합체의 광물리 성질을 대폭 향상시킴을 발견했다. 해당 긴 공액사슬 단편은 구조 분야에서 팔걸이의자형 단일벽 탄소나노튜브의 공액 고분자화합물에 접근한 세계 최초의 사례이다. 해당 연구는 특정 지름 단일벽 탄소나노튜브의 신형 긴 공액구조 합성을 달성해 초고순도 단일벽 탄소나노튜브 제조에 상응하는 공액 고분자 템플릿을 제공함과 아울러 용액법을 통한 단일 카이랄성 탄소나노튜브 제조 및 성질 연구에 중요한 참고정보를 제공했다.

화웨이, 세계 최대 속도 AI 훈련 클러스터 Atlas 900 개발

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2019년 9월 18일, 화웨이(華為)는 수천 개 어센드 910(Ascend 910) 프로세서로 구성된 세계 최대 속도 AI 훈련 클러스터 Atlas 900을 발표했다. ResNet-50 모델 훈련은 AI 컴퓨팅 능력을 평가하는 주요 표준이다. Atlas 900은 59.8초 내에 훈련을 완료했는데 이는 기존의 세계기록에 비하여 10초 빠르다. 빅데이터 컴퓨팅 및 처리가 필요한 천문연구, 석유탐사 등 분야에서 수개월간 시간을 들여야 완성할 수 있는 작업을 Atlas 900으로 수 초 내에 완성할 수 있다. Atlas 900은 이미 화웨이 클라우드에 배치되어 저렴한 가격으로 전세계 연구기관 및 대학교에 개방하고 있다. 1946년 세계 첫 컴퓨터가 탄생하여서부터 지금까지 컴퓨팅 설비 체적은 지속적으로 작아지고 있지만 기능은 점점 더 강대해지고 있으며 보편화되고 있다. 이와 동시에 "공식을 입력해야 결과를 얻을 수 있는" 규칙 기반 계산 모드는 음성인식, 영상인식, 실시간 번역 등 확정된 규칙으로 묘사할 수 없는 문제를 해결하기 매우 어렵다. 이러한 문제점을 해결하려면 새 모델을 도입해야 한다. 화웨이는 새 통계 기반 계산 모드를 개발했다. 해당 모드는 고도로 해시레이트(Hash rate)에 의존하기에 화웨이는 해당 모드를 “폭력적 컴퓨팅”이라고 명명했다. 화웨이는 해당 컴퓨팅 모드를 인공지능의 발전을 추진하는 기반으로 보고 있으며 또한 해당 분야에서 주도적 지위를 차지할 것으로 전망하고 있다. 5년 후 인공지능 컴퓨팅이 소모하는 해시레이트는 전사회 해시레이트 총 소모량의 80%이상을 차지할 전망이다. 컴퓨팅은 새 지능시대에 진입했으며 컴퓨팅 산업은 블루오션(Blue ocean) 시대를 맞이했다. 화웨이는 프로세서 아키텍쳐를 혁신적으로 개발했고 풀시나리오(Full Scenario) 프로세서에 투자함과 아울러 중점을 틀어쥐는 상업 전략을 견지했으며 개방적 생태 구축에 진력하고 있다. 커넥션(Connection) 및 컴퓨팅은 지능 세계를 지원하는 핵심 기술이다. 해시레이트 하락은 인공지능을 포함한 수많은 영역 혁신의 주요 걸림돌로 되고 있다. 화웨이는 해당 문제를 해결하는 핵심은 프로세서 효율이며 새 프로세서 아키텍쳐로 해시레이트를 매칭하여 속도를 증가시키는 방법은 해당 문제를 해결하는 효과적인 경로라고 주장하고 있다. 따라서 화웨이는 "말단-클라우드-에지" 풀시나리오를 커버리지할 수 있는 다빈치 아키텍쳐 프로세서를 선보임과 아울러 범용 컴퓨팅을 지원할 수 있는 쿤펑(鯤鵬) 시리즈, AI를 지원할 수 있는 성텅(昇騰) 시리즈, 스마트 단말을 지원할 수 있는 치린(麒麟) 시리즈 및 스마트 스크린을 지원할 수 있는 훙후(鴻鵠) 시리즈를 발표했으며 향후 더욱 많은 시나리오에 적합한 프로세서 시리즈를 개발할 예정이다. 2019년 8월 29일, 중국 과기부는 화웨이를 기반으로 기본 소프트웨어/하드웨어 국가 인공지능 개방형 혁신 플랫폼을 구축한다고 발표했다. 화웨이 혁신 플랫폼은 2019년 8월 23일 구축을 완료한 화웨이 풀스택 시나리오 AI 해결 방안을 기반으로 한다. 풀스택 AI의 토대는 다빈치 아키텍쳐 기반의 AI 칩이다. 우수한 아키텍쳐는 실용적인 상업 전략 및 개방된 생태로 구현해야 한다. 컴퓨팅 산업은 고도로 생태에 의존하기에 전세계적 협력이 필요하다. 화웨이는 15억 달러를 투자하여 "옥토 계획(沃土計畫)"을 업그레이드 하여 개발자 규모를 500만 명으로 확장할 예정이다. 2015년, 화웨이는 "옥토 계획"을 발표했으며 현재 130여만 명 개발자 및 14,000여 개 ISV(독립적 소프트웨어 개발상) 규모로 발전했다.

탐지효율 90% 초과하는 단일 광자 탐지기의 산업화 추진

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최근 중국과학원 상하이마이크로시스템·정보기술연구소 유리싱(尤立星) 연구팀이 자체로 개발한 단일 광자탐지기는 탐지효율이 90% 이상에 달하는 성과를 거두었고 이에 따른 산업화 과정이 추진 중에 있다. 연구팀이 개발한 저온 초전도 나노와이어 단일 광자 탐지기(SNSPD) 기술은 빛에 민감한 초전도 나노재료의 특성을 이용해 단일 광자를 탐지한다. SNSPD 핵심기술을 보유하기 전 중국 양자통신 시험에 사용된 단일 광자 탐지기의 효율은 20% 밖에 안 되었고 잡음이 큰 단점으로 세계 최고 수준과 거리가 멀었다. SNSPD시스템의 실용성 및 신뢰성을 확보하기 위해 연구팀은 신형 회로구조 개발을 통해 시스템의 안정성과 신뢰성을 향상시켰다. 또한 응용환경을 실험실환경에서 실제 현장환경에로 확장시켰다. SNSPD시스템은 기계냉각기술에 기반해 플러그 앤 플레이를 실현함으로써 국외 동일 유형 단일 광자 탐지기에 비해 사용자 친화 성능을 대폭 향상시켰을 뿐만 아니라 응용원가를 뚜렷이 낮추어 양호한 보급가치를 보유한다. 2013년에 미국이 규화텅스텐(WSi) 재료를 사용해 개발한 SNSPD 탐지효율은 최대 93%에 도달했다. 그 당시 중국이 질화니오븀(NbN) 재료로 개발한 SNSPD 탐지효율은 4% 밖에 안 되었다. WSi 재료로 제조한 장치는 NbN에 비해 더 낮은 작업온도를 요구하기에 저온 냉각장비 원가도 배로 증가한다. 연구팀은 NbN 재료를 사용한 SNSPD 개발을 견지해 2016년에 세계 최초로 NbN SNSPD 장치의 광섬유 통신 1,550 나노파장 탐지효율을 90% 이상에 도달시켰다. 연구팀은 그 이후로 NbN SNSPD 장치효율의 세계기록을 지속적으로 유지했다. 뿐만 아니라 잡음의 근원을 파악한 토대에서 온칩(on-chip) 집적 저온 필터, 광섬유 말단면(end face) 저온 필터 등 2종 다크카운트(Dark Count) 억제 핵심기술을 개발했다. 해당 방법을 사용한 초저다크카운트 SNSPD시스템은 다크카운트 1Hz 조건에서 80%에 달하는 탐지효율에 도달할 수 있는 세계 최고 수준에 도달했다. 해당 기술은 현재 중국, 미국, 일본 등 3개국의 특허를 획득했다. SNSPD가 보유하고 있는 효율 등 성능 분야에서의 절대적 우위는 양자통신, 광양자컴퓨팅, 레이저레이더, 심우주통신 등 여러 분야로의 확장응용을 촉진할 수 있다. 상하이마이크로시스템·정보기술연구소는 국가 수요를 만족시키고 시장화 방식을 통한 첨단기술의 자아생존 및 세대교체를 달성하며 과학연구와 산업 간 교량 구축을 목표로 SNSPD기술의 산업화를 추진 중에 있다.

300킬로미터 더블 필드 양자키분배 완벽구현

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최근, 중국과기대학 판젠웨이(潘建伟)/장창(张强)/류양(刘洋) 및 칭화대학 왕샹빈(王向斌), 중국과학원 상하이마이크로시스템연구소 유리싱(尤立星) 등은 공동으로 300킬로미터 실제 환경 광섬유에서의 더블 필드 양자키분배를 구현함으로써 장거리 양자 통신 분야 연구에서 중요한 성과를 거두었다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"의 인터넷버전에 게재되었다. 연구팀은 300킬로미터 더블 필드 양자키분배를 완벽하게 구현했을 뿐만 아니라 700킬로미터 이상의 광섬유에서 장거리 양자키분배 구현 가능성을 검증함으로써 차세대 장거리 도시 간 양자키분배의 기반으로 될 전망이다. 양자키분배는 사용자 사이에서 보안성이 아주 높은 키분배를 가능하게 함으로써 최고의 보안성 비밀통신을 실현할 수 있다. 그러나 통신 광섬유의 소모와 탐지기 소음 등 원인 때문에 양자키분배 시스템은 일반적으로 100킬로미터 이내에서만 비교적 높은 코드 레이트를 획득할 수 있다. 최근 영국 도시바 회사는 새로운 양자키분배 방안인 더블 필드 양자키분배 방안을 제안했다. 해당 방안은 단일광자의 간섭 특성을 교모하게 이용하여 일반 양자키분배 방안보다 뛰어난 코드 거리를 획득함과 아울러 이론적으로 일반 양자키분배 방안보다 뛰어난 코드 레이터를 획득함으로써 장거리, 고성능의 양자키분배에 새 방향을 제공했다. 하지만, 더블 필드 양자키분배를 실험으로 실현하기에는 조건이 너무 까다롭다. 연구팀은 다양한 실험으로 더블 필드 양자키분배 방안을 검증하고 실제 환경의 위상이 급격히 변화하는 300킬로미터 광섬유 채널에서 더블 필드 양자키분배를 실현하고 통상적인 무중계 양자키분배 방안의 최고 코드 레이트의 이론적 한계를 극복했다. 또한, 탐지기 성능 등을 향상시키는 조건에서 해당 방안이 700킬로미터 이상의 원거리 양자키분배를 구현할 수 있다고 분석하였다.

중국과기대, 양자간섭 실험을 천문학적 규모로 확장

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최근 중국과학기술대학 판젠웨이(潘建偉)/루차오양(陸朝陽) 연구팀은 중국내외 협력자와 공동으로 세계 최초로 양자점 단광자(Single Photon)와 태양광 간 2광자 간섭, 양자얽힘, 비국소성 등을 실험적으로 관찰했다. 해당 연구는 독립적 광자 간 양자간섭 실험을 서로 1.5억 km 떨어진 두 개의 독립 광원으로 확장시켰을 뿐만 아니라 최초로 천문학적 규모에서 양자통계 원리의 보편성을 검증함과 아울러 열광 필드(thermal light field) 양자화의 직접적 실험증거를 제시했다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"에 게재되었다. 다수 양자정보기술의 기반인 독립적 광자 간 양자간섭 현상은 고전적인 전자기파 원리로 해석할 수 없으며 반드시 광 필드를 양자화 처리해야 한다. 현재 세계적으로 보고된 연구에 의하면 다양한 광원 간 양자간섭은 이미 실현되었다. 중국과기대 연구팀은 최초로 자연적 원거리 열광원인 태양을 이용한 양자광학 실험을 제안했다. 높은 대비도의 양자간섭을 명확하게 관찰하기 위한 실험에서 주요 어려움은 고성능 단일 광자원 및 다자유도 양자 이레이저(quantum eraser) 기술의 개발이다. 판젠웨이/루차오양 연구팀은 펄스 공명으로 마이크로캐비티 결합을 여기시킨 단일 양자점으로 단일편광, 고효율, 고순도, 높은 동일성, 최적 종합성능의 단일 광자원을 구현했다. 이를 토대로 연구팀은 초협대역 필터링, 초단시간 식별 등을 포함한 일련의 양자 이레이저 기술을 개발했다. 실험에서 50% 이상 고전적 한계(classical limit)의 80% 간섭 대비도를 관측함과 아울러 열광(thermal light)의 양자화 성질을 분명히 입증함으로써 천문단위 규모에서 양자 보스(bose) 통계 원리의 보편성을 검증했다. 그리고 태양광 광자와 양자점 단광자 간 충실도가 0.826에 달하는 얽힘상태를 구현함과 아울러 이처럼 공통적인 역사적 유래가 없는 해당 얽힘광자를 이용해 벨 부등식을 검증했고 또한 3배 표준편차 이상의 위반을 실험적으로 획득함으로써 양자역학의 비국소성을 재차 검증했다.

구리·아연 동위원소로 달의 핵 형성과정 규명

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중국과학기술대학교 지구·우주과학대학 황팡(黄方) 연구팀은 고정밀도 구리·아연 동위원소 분석방법에 기초하여 국외 학자와 공동으로 고온고압 실험암석학적 분석을 통해 규산염 용융체와 금속 용융체 간 구리·아연 동위원소 평형 분별정수(isotope equilibrium fractionation factor)를 정확하게 측정함과 아울러 달의 핵(lunar core) 성분 및 형성과정에 관여함을 규명했다. 해당 성과는 "Geochemical Perspective Letters"에 게재되었다. 거대충돌 가설(Giant Impact Hypothesis)은 45억 년 전 화성크기의 행성과 원시지구의 대충돌에서 달이 형성되었다고 주장한다. 충돌후의 물질은 우주로 튕겨 달궤도에서 응집·성장하여 뜨거운 용융상태의 달 마그마 오션(Magma Ocean)을 형성하였고 나중에 달의 구조는 핵·맨틀·지각으로 분화되었다. 거대충돌시 휘발작용은 달의 원소 및 동위원소 구성을 변화시킬 수 있다는 것이 일반적인 견해이지만 달의 권층 분화 특히 달의 핵 형성과정에 대해 알려진 바가 거의 없다. 그 주원인은 원소 및 동위원소 지구화학거동에 대한 이해 부족이다. 구리(Cu)와 아연(Zn)은 휘발성 원소인 동시에 친철(siderophile)-친황(chalcophile) 원소로서 충돌과정의 휘발효과는 물론 핵·맨틀의 분화 과정에도 관여하므로 달의 핵 분화가 달의 화학구성에 미치는 영향을 탐구하는데 이용할 수 있다. 가벼운 구리 및 아연 동위원소는 규산염 용융체에 비해 황함유 금속 용융체에서 유의적으로 응집되지만 비황함유 금속 용융체와 규산염 용융체 사이에서는 비교적 적게 분별된다. 이로부터 지구-달 간 금속 안정동위원소 구성의 차이를 확실히 해석할 수 있다. 달-지구 간 비교적 차이가 큰 아연 동위원소 분별은 휘발과정의 영향을 뚜렷이 반영한다. 비록 구리의 휘발성이 칼륨/칼슘에 비해 떨어지지만 달-지구 간 구리 동위원소 구성의 차이는 칼륨/칼슘 동위원소에 비해 크다. 이는 달에서의 구리 동위원소 구성이 대충돌시 휘발작용의 제어를 받은 외에 핵 형성시 마그마 오션으로부터 황함유 금속 용융체 분리의 영향을 받았을 것으로 추정된다. 아울러 칼륨/칼슘은 달의 핵에 진입하지 못했고 따라서 핵 형성의 영향을 받지 않았다.

세계 최초로 2018년 글로벌 30m 해상도 삼림 피복 분포도 발표

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중국과학원 항공우주정보혁신연구원 허궈진(何國金) 연구팀은 세계 최초로 2018년 글로벌 30m 해상도 삼림 피복 분포도(Global Forest Cover Map, GFCM)를 획득함과 아울러 발표했다. 연구팀은 장기간 위성 원격탐사 데이터 RTU(Ready to Use) 제품 개발에 진력했으며 약 3년간 연구를 거쳐 미국 랜드샛(Landsat) 시리즈 위성 데이터 및 중국의 고해상도 위성 데이터를 기반으로 글로벌 고정밀도 삼림 및 비삼림 샘플 데이터베이스를 구축함과 아울러 머신러닝 및 빅데이터 분석 기술을 이용하여 글로벌 삼림 피복 고정밀도 자동화 추출을 달성했다. 연구팀이 무작위 층화표집 방식을 이용해 세계적 범위에서 정밀도 검증 표본구(표본구 선택은 다양한 지표면 피복 유형 및 삼림 유형 분할을 동시에 고려)의 정밀도를 검증한 결과, 2018년 연구팀이 획득한 글로벌 30m 해상도 삼림 피복 분포도의 전체적 정밀도는 약 90.94%에 도달함으로써 관련 기관, 관리 부문에 기본 데이터 및 제품 지원을 제공할 수 있는바 삼림의 관리/이용, 글로벌 변화 대처 및 삼림 관련 지속가능한 발전 달성 등에 매우 중요한 의미가 있다. 삼림은 글로벌 탄소순환, 물순환, 생물다양성, 토지이용 변화 및 기후변화 등에 영향을 미치는 주요 요인이며 UN "2030년 지속가능발전 어젠다"의 많은 지속가능발전목표(SDGs) 및 관련 구체적 지표와 연관된다. 해당 성과는 UN "2030년 지속가능발전 어젠다" 추진에 중요한 과학기술 지원을 제공할 전망이다.

2022년 전후에 3명 상주 가능한 우주정거장 구축

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광저우에서 열린 제4회 중국인간공학정상포럼에서 중국유인우주공학 수석설계사이며 중국공정원 원사인 저우젠핑(周建平)은 중국은 2022년 전후에 초기규모가 100t이고 3명을 상주시킬 수 있는 우주정거장을 구축해 운영할 계획이라고 밝혔다. 중국의 우주정거장 구축 주요 목표는 근지구공간(near-Earth space)에서의 장기적 유인비행(manned flight) 기술을 독자적으로 확보하고 근지구공간에서의 장기적 유인 관련 과학실험 수행 및 우주자원 종합 개발·이용 능력을 보유한 국가로 거듭나는 것이다. 중국이 구축하는 우주정거장은 나라 형편에 부합되어야 하고 국가발전전략목표를 구현해야 하는 등 원칙에 따라 현대 선진기술을 도입하며 응용 효과를 중시하고 운영의 경제성을 따지며 규모가 적당해야 한다. 현재 기본적으로 확정된 우주정거장 설계규모는 100t이고 3명을 상주시키며 확장공간을 예비 확보한다. 향후 중국 우주과학연구의 메인플랫폼이 될 우주정거장은 다음과 같은 3가지 과학기술 목표를 지향한다. 첫째, 대형 우주시설 구축 및 운영기술을 확보한다. 국제우주정거장 수준에 도달하거나 또는 근접해야 하며 나아가 현대 기술성과를 도입하고 후발주자로서의 이점을 발휘해 국제우주정거장 수준을 초과한다. 둘째, 우주인의 일상적 궤도비행을 지원하는 생활/건강보장 기술을 확보한다. 우주정거장 구축 및 응용에서 인간이 핵심요소이다. 우주인이 건강하게 생활해야만 높은 업무 효율성을 담보할 수 있다. 셋째, 국가우주실험실을 구축한다. 과학자를 위해 높은 수준의 과학연구플랫폼을 제공함으로써 일부 과학영역에서의 중대성과 획득을 기대해본다.

첫 화성탐사임무 착륙기 공중정지·장애물회피 시험 완료

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2019년 11월 14일, 중국 첫 화성탐사임무 착륙기 공중정지·장애물회피 시험이 허베이성 화이라이현(懷來縣) 외계천체착륙 종합시험장에서 원만히 완료되었다. 이번 시험은 중국 화성탐사임무와 관련한 첫 공개보도이다. 이번 시험에서 화성환경에서의 착륙기 공중 정지, 장애물 회피, 저속 하강 등 과정을 시뮬레이션하였고 또한 설계의 정확성을 종합적으로 검증하였다. 화성탐사는 현재 세계 선도적인 과기혁신 활동이다. 안전착륙은 화성탐사임무에서 가장 어려운 과제이다. 중국은 2020년 적정시기에 첫 화성탐사임무를 수행할 예정인바 일차적 발사임무를 통해 화성 선회, 착륙, 순찰을 달성해 화성 전체에 대한 종합적 탐사 및 화성 표면 중점지역 정밀 순찰탐사를 목표로 한다. 화성 중력환경(화성 중력가속도는 지구의 약 1/3)을 모사해 진행된 이번 시험은 아시아 최대 외계천체착륙 종합시험장에서 진행되었다. 이번 시험은 중국이 우주 분야에서 추진한 실용성 국제교류·협력의 주요 조치이다. 국가항천국은 일부 주중대사관 및 국제기구 인사를 시험에 요청해 관련 시험시설을 참관시켰다. 중국은 시종일관 우주분야 국제협력에 힘써 현재 45개 국가 및 국제기구와 140여 건의 우주협력계약을 체결하였다. 최근에 열린 지구관측그룹(GEO)대회에서 국가항천국은 가오펀(高分) 1,6호 위성의 16m 해상도 광학데이터 개방·공유를 선포하는 등 일련의 조치는 더 많은 국가 특히, 개발도상국에 우주기술성과를 공유해 사회경제 발전을 촉진하는데 도움을 준다.

약 3억 년 전 "식물폼페이"에서 좌선성 전요식물 화석 발견

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중국과학원 난징(南京)지질고생물연구소 연구팀은 네이멍구(內蒙古)자치구의 약 3억 년 전 "식물폼페이" 소택지 삼림에서 안정적 좌선성 전요식물 화석을 발견했다. 이는 지질 역사상 전요식물 화석의 2번째 사례이다. 해당 발견은 식물의 전요(Twining) 습성 발생을 3억 년 전의 고생대 말기로 역추적했다. 해당 성과는 국제 저명 학술지 "Current Biology"에 게재됐다. 현존 전요식물의 90% 이상은 우선성이다. "카이랄성"은 1개 물체가 그 물체의 거울상과 중첩되지 않는 현상을 가리킨다. "카이랄성"은 우주에 광범위하게 존재한다. 예를 들면 큰 은하계로부터 작은 중성미자의 운동 궤적에 이르기까지 모두 비대칭 회전이 존재하며 또한 대부분 단일 카이랄성(좌선성 또는 우선성)이다. 현존 전요식물은 주로 피자식물에 존재하며 또한 나자식물의 그네툼(Gnetum) 및 양치식물의 해금사속(Lygodium Sw)에도 전요식물이 존재한다. 네이멍구자치구 우하이시(烏海市) 우다(烏達)탄전에는 화산 분출로 생성된 화산재에 의해 매립된 약 3억 년 전의 소택지 삼림이 있다. 그 보존 방식은 이탈리아 폼페이와 매우 유사하기에 중국의 "식물폼페이"로 불린다. 연구팀은 소택지 삼림 군락에서 새로운 전요식물 화석을 발견했다. 표본에 대한 포매 및 절편을 통해 연구팀은 전요식물에서 양치식물의 엽축에 속하는 C형 유관속을 발견했다. 해당 지역의 다른 한 위치에서 채집한 전요식물 잎사귀 화석을 분석한 결과, 해당 전요식물은 Anachoropteris의 양치식물로 추정됐다. 흥미로운 점은 양치식물 해금사속을 포함한 현존 전요식물은 주로 우선성이다. 하지만 지질 역사상의 2종 전요식물 화석은 모두 좌선성이다. 연구팀은 전요식물 및 숙주식물은 해당 생존 시기에 동시에 한그루 나무로 칭칭 감겨 위로 올라갔다고 추정했다. 이는 초기 페름기 소택지 삼림 군락 생태가 매우 복잡했음을 의미한다.

실시간 정확한 인체 건강 모니터링 가능한 생체모방 섬유 센서 개발

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푸단대학교 연구팀은 주사 가능한 섬유상 바이오센서를 개발했다. 해당 센서는 이식 후 모발처럼 피부 표면에 부착되고 가늘고 부드러우며 또한 체내 다양한 화학 물질의 장기적이고 실시간적인 모니터링이 가능하다. 의료 기술이 발달함에 따라 개인 생리 정보의 실시간 모니터링 및 이에 따른 개별화 의료가 관심을 받고 있다. 전기화학적 바이오센서는 화학 신호를 전기 신호로 전환시킬 수 있는 장치로 특정 화학물질을 모니터링하는데 사용할 수 있고 웨어러블 의료 분야에서 광범위한 응용 전망이 있다. 기존의 삽입 가능한 센서는 재료 자체의 모듈러스가 크고 강성 소자와 유연조직 사이의 반복된 기계적 손상이 존재한다. 또한 2차원 평면 구조에 기반하여 설계한 삽입식 소자는 최소 침습술 이식이 어려워 조직과의 안정적인 인터페이스 형성이 어렵고 장기적이고 정확한 모니터링이 어려워 신호 수집과 생체 안전에 영향을 미친다. 연구팀은 생체모방 근육 구조의 새 연구 방법을 개척하여 다단 나선 구조의 섬유상 전기화학 센서를 설계했다. 역학적 시뮬레이션과 나노압입 실험 결과, 탄소 나노튜브 섬유는 기존의 삽입 재료(금실, 폴리디메틸실록산 등)보다 더 낮은 만곡 내응력을 구비하고 휨강성이 기타 전통 삽입 재료보다 유연 조직에 더 접근하였다. 또한 섬유 1차원 구조에 적합한 주사 방법을 이용하여 섬유 센서를 목표구역에 정확하게 삽입하였는데 체외에서의 섬유 형태는 마치 동물 모발이 피부 표면에 부착된 것과 유사했다. 세포실험과 조직절편 결과, 섬유상센서 주사 후, 동물의 염증반응과 흉터를 유발하지 않았고 주변 조직과의 결합이 양호하였으며 섬유 센서는 우수한 생체 적합성과 생체 통합성을 보유했다. 해당 연구는 생물전자학 분야에서 새 방향을 제시했다. 섬유상 바이오센서는 집적회로, 블루투스 및 관련 소프트웨어를 통하여 원격으로 생리학적 데이터를 실시간 수집할 수 있고 소자는 혈관에서 안정적으로 4주간 작동할 수 있다.

세계 최초 척추측만증 대규모 인공지능 검사 시스템 개발

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상하이교통대학교, 중산대학교 중산안과센터 및 시안전자과학기술대학교 공동연구팀은 세계 최소로 척추측만증 관련 대규모 인공지능 검사 기술을 개발하였다. 해당 성과는 "Development and validation of deep learning algorithms for scoliosis screening using backimages"라는 제목으로 "Communications Biology"에 게재되었다. 연구팀은 환자의 X-ray와 초음파 영상을 척추측만 골드표준 라벨로 하고 라벨을 부착한 외관 이미지에 대한 모델 훈련을 통해 최초로 등 외관 특징과 척추측만 심각도의 관계를 명확히 하고 등 노출 외관 사진에 기반한 척추측만 인공지능 검사 시스템을 구축했다. 아울러, 혁신적으로 객체 검출 네트워크를 이용하여 환자의 노출 등부위를 정위하고 다수의 합성곰 신경망을 이용하여 상이한 검사 작업의 요구를 충족시켰다. 해당 모델은 청소년의 척추측만 검사 및 치료 필요성 여부를 확정하고 척추측만 정도를 명확히 하는 등 3가지 분야에서 탁월한 성능을 구비했다. 해당 지능 시스템의 검사 정확도는 인간 전문가의 평균 수준에 도달했고 속도는 인공보다 훨씬 뛰어나며 대규모 척추측만 검사에 응용될 전망으로 중요한 의학적, 경제적 및 사회적 가치가 있다.

신형 나노 발광 재료 개발하여 종양 광역학요법에 조력

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중국과학원 유전발생생물학연구소 장위창(降雨强) 연구팀과 베이징대학교 기초의학대학 사인린(沙印林) 연구팀은 공동으로 새로운 나노 발광 재료-디하이드로리포산을 리간드로 하는 금 나노클러스터(Gold nanoclusters)를 개발하여 종양 광역학요법에 힘을 보탤 전망이다. 디하이드로리포산을 리간드로 하는 금 나노클러스터는 광조사 조건에서 아주 강한 자유기를 생성하는 특성을 보유하고 있기에 종양 세포와 조직에 대한 살상 효과가 양호하며 또한 성능이 우수한 광증감제로서 기존에 임상에서 사용하는 알라 광증감제보다 치료 효과가 훨씬 우수하다. 이 외에도 해당 재료는 우수한 이광자 성질을 구비하여 근적외선 레이저로 여기시킬 수 있고 조사 깊이를 효과적으로 증가할 수 있어 고형 종양 치료에 사용할 수 있다. 더욱이 양호한 생체 적합성을 구비하고 치료 과정에서 빛 차단이 필요 없기에 임상 조종성을 대폭 향상시킬 수 있다. 해당 연구의 종양 광역학요법 분야에서 달성한 주요 성과는 2가지 발명 특허를 출원하였으며 "ACS Nano"에 온라인에 게재되었다.

홍콩과기대, 남조류의 바이러스성 사멸 메커니즘 규명

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홍콩과기대학 연구팀은 친환경 세균인 남조류가 시아노파지(cyanophage)라 불리는 바이러스에 의해 사멸되는 메커니즘을 규명했다. 해당 새 발견은 남조류의 이산화탄소 흡수능력을 향상시킴과 아울러 향후 지구온난화 완화에도 일조할 전망이다. 해당 성과는 "PNAS"에 게재되었다. 남조류는 해양에서 광합성을 통해 해양생물에 산소를 제공한다. 남조류는 지구 이산화탄소량의 20% 이상을 흡수한다. 한편 세계적으로 매일 약 50%의 남조류가 포식 또는 바이러스 감염으로 사멸된다. 그 중 시아노파지 바이러스에 의해 매일 사멸되는 남조류만 전세계 총량의 약 20%를 차지한다. 연구팀은 실험실에서 배양한 시아노파지로 5년 동안 연구한 끝에 남조류가 광합성을 통해 생산한 에너지가 시아노파지의 남조류 감염 연료로 활용됨을 발견했다. 시아노파지는 주간에 남조류 세포 구조를 충분히 파괴하는 등 모든 감염과정을 완수함으로써 야간의 남조류 사멸을 초래한다. 해당 시아노파지 바이러스의 일주기 리듬 발견은 과학계 최초이다. 주야순환(day-night cycle)이 어떻게 시아노파지 감염과정을 제어하는지를 규명하는 것은 남조류의 피감염 위험을 낮추는데 도움이 될 뿐만 아니라 남조류의 이산화탄소 흡수능력을 증가시키는 등 지구온난화 속도 완화에 일조할 수 있다. 많은 인간질환은 바이러스에 의해 유발된다. 현재 바이러스 감염이 생체리듬 및 주야순환의 영향을 받음이 발견되어 인간 항바이러스 약물 연구에 새로운 시사점을 제시할 전망이다.

차세대 생물광발전 시스템 개발

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최근 중국과학원 미생물연구소 리인(李寅) 연구팀은 생물광발전(biophotovoltaics, BPV)광전 전환 효율을 향상시키기 위해 정향성 전자류를 보유한 합성 미생물군을 개발하여 남조류의 직접 전기 생산 활성이 미약한 문제점을 해결했다. 해당 성과는 "Nature communications"에 게재됐다. 신재생에너지의 개발과 활용은 인류 사회의 지속 가능한 발전에 있어서 반드시 거쳐야 할 길이다. 태양에너지 이용의 주요 방식인 태양광발전의 기술 핵심은 반도체 재료를 이용하여 태양에너지를 전기에너지로 전환하는 것이다. 에너지 전환 효율의 지속적인 향상과 제조비용의 절감으로 전세계 태양에너지 발전 장치의 누적 용량은 500GW를 초과한다. 그러나 부분적 태양광발전 재료에 함유된 독성 원소 및 폐기 태양전지 패널의 회수 어려움 등은 태양광발전의 보급과 함께 환경에 가져다주는 잠재적 위험을 무시할 수 없다. BPV는 태양에너지 이용에 생물학적 경로를 제공한다. BPV는 광합성 미생물(예를 들면 남조류)을 광전 전환 재료로 하며 탄소중립(Carbon neutral), 양호한 환경 적합성 및 잠재적 저원가 등 장점을 보유하여 친환경 차세대 태양광발전 기술로 거듭날 전망이다. 남조류 등 광합성 미생물은 아주 높은 광합성 효율을 가지지만 전기 생산 활성이 아주 약하기 때문에 기존의 BPV 시스템의 출력 전력은 태양광발전보다 3개 자릿수 이상 낮다. 남조류를 직접 개조하여 전기 생산 활성 강화를 달성한 성공적 사례는 없다. 해당 합성 미생물군은 광에너지를 d-젖산에 저장하는 공정 남조류와 d-젖산을 효율적으로 이용하여 전기를 생산하는 슈와넬라균(Shewanella)으로 구성되었다. 해당 합성 미생물군에서 d-젖산은 두 가지 미생물 사이의 에너지 운반체이다. 남조류는 광에너지를 흡수하고 CO2를 고정시켜 에너지 운반체 d-젖산을 합성하며 슈와넬라균은 d-젖산을 산화하여 전기를 생산한다. 이렇게 광자에서 d-젖산으로, d-젖산에서 전기에너지로의 정향성 전기류를 형성함으로써 광에너지에서 화학에너지로, 화학에너지에서 전기에너지로의 에너지 전환 과정을 완성한다. 연구팀은 유전, 환경 및 장치 분야의 설계, 개선 및 최적화를 통하여 두 가지 미생물 사이의 생리학적 비호환성 문제를 효과적으로 극복하였다. 이렇게 구축된 이중균 생물광발전 시스템은 효율적이고 안정적인 전력 출력을 구현했으며 최대 전력 밀도는 150 mW/m2에 달해 기존의 단일균 생물광발전 시스템보다 10배 이상 향상되었다. 연속 유가배양 방식을 이용하면 해당 이중균 생물광발전 시스템은 40일 이상의 안정적인 전력 출력을 달성할 수 있다. 또한 평균 전력 밀도는 135 mW/m2으로 비교적 높은 수준에 도달하며 전기 생산 시간과 단일 장치 출력 전력에서 모두 현재 BPV 시스템의 최고 수준에 도달했다. 해당 성과는 국제적으로 정향성 전자류를 가진 합성 미생물군을 이용하여 생물광발전을 구현한 최초 보고이다. 또한 중국의 최초 생물광발전 원형 장치이다. 해당 연구는 정향성 전자류를 갖는 합성 미생물군은 BPT 광전 전환 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있다는 것을 입증하였고 생물광발전의 효율과 수명은 개선하기 어렵다는 고유의 인식을 깼으며 BPV 광전 전환 효율을 향상시키기 위한 중요한 기반을 마련했다.

다롄화학물리연구소, 석탄에 의한 올레핀 제조 신기술의 산업적 테스트 성공

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최근, 중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소는 산시옌창(陝西延長)석유(그룹)유한책임회사와 공동으로 산시 위린(榆林)에서 석탄 합성가스에 의한 저탄소 올레핀 직접 제조 기술의 산업적 테스트에 성공했다. 이로써 해당 기술 로드맵의 선진성 및 타당성을 더 검증했다. 아울러 해당 기술의 산업화 과정을 가속화시킴으로써 중국의 원유 수입 의존도를 낮추고 청정석탄 이용에 새 기술 로드맵을 제공했다. 동 기술은 다롄화학물리연구소 바오신허(包信和)/판슈롄(潘秀蓮) 연구팀이 달성한 "합성기체 고선택성 전환에 의한 저탄소 올레핀 제조" 독창성 기초연구 성과(2016년, 미국 "Science"에 게재)를 기반으로 했다. 테스트 시운전은 1차적으로 성공했으며 CO 단일 라운드 전환율은 50%를 초과했고 저탄소 올레핀(에틸렌, 프로필렌 및 부틸렌) 선택성은 75%이상에 달했다. 촉매 성능 및 반응 과정의 여러 항목 주요 파라미터는 설계 지표를 초과했고 전반적 성능은 실험실 수준에 비하여 우수하다. 원리 면에서 해당 기술은 90여 년 동안 석탄 화공 분야에서 줄곧 답습해 왔던 20세기 20년대에 독일이 발명한 피셔-트롭슈 합성(Fischer-Tropsch synthesis) 공법을 뒤집고 혁신적으로 복합산화물과 몰레큘러시브(Molecular sieves)를 결합한 새 촉매 전략을 채택하여 신형 복합촉매를 개발함으로써 석탄 합성가스(CO와 H2)로 저탄소 올레핀 등 고가치 화학품을 직접 제조하는 새 기술로드맵을 구현했다. 해당 성과는 기존의 높은 물 소모 및 고에너지 소모 기반 수성가스 변환에 의한 수소제조 과정 및 중간생성물(메탄올, 디메틸에테르 등) 전환 공법을 포기하고 원리적으로 물 소모가 적은(반응 과정에서 물 순환이 없고 폐수배출이 없음) 석탄 합성가스 1단계 전환 새 방법을 개발했다. 2016년, 최초로 동 기술을 개발한 후 연구팀은 해당 기술의 응용 연구를 대폭적으로 추진함과 아울러 중국 과학기술 성과 사업화 응용에 효과적인 새 방법을 시범했다.

중국 첫 해안 습지 글로벌 관측망 운영 성과 발표

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2019년 9월 22일, 자연자원부 중국지질조사국은 창다오(青島)에서 중국 첫 해안 습지 글로벌 관측망 운영 성과를 발표했다. 데이터에 의하면 중국의 4개 글로벌 해안 습지 야외 관측소 운영은 양호하며 국제 데이터와의 공유를 가동했다. 이번 해안 습지 글로벌 관측망의 모니터링은 랴오닝(遼寧) 판진(盤錦), 산둥(山東) 둥잉(東營), 장쑤(江蘇) 옌청(鹽城) 신양항(新洋港) 및 쓰마오유(四卯酉) 등 4개 중국 북방 주요 해안 습지의 야외 관측소에 설치하여 수행했다. 해당 관측망은 2018년에 구축하여 본격 운영된 후 지역 내 대기, 지표수(Surface water), 공극수(Pore water), 토양 및 식물 등에 대한 24시간 환경 모니터링을 지속적으로 수행하고 있다. 모니터링을 통해 축적한 7,600만 건 데이터를 지질 클라우드(Geological cloud)에 접속하여 직접 사용자들에게 제공할 수 있다. 중국이 설치한 4개 관측소는 미국 플로리다 습지(Florida Wetlands), 스페인 에브로 삼각주(Ebro Delta) 및 덴마크 스캘링엔 반도 습지(Skallingen peninsula wetlands)에 설치한 관측소와 공동으로 세계 전형적인 해안 습지 생태 지질환경 관측망을 구성했다. 1년 남짓한 동안 운영하는 과정에서 일반 환경 기상 모니터링을 수행한 외에 야외 환경 조건에서의 인공 온도증가 비교 실험을 통해 온도가 0.8℃ 상승할 경우 갈대 밀도가 23.2% 감소됨과 아울러 토양함수량이 감소되어 생태계 생산력이 34% 하강되고 또한 비교적 심각한 진딧물 병충해 및 도복(Lodging) 현상이 발생함을 발견했다. 다음 단계에 관측망을 더욱 많은 유형의 습지에 설치함과 아울러 글로벌 관측망을 이용하여 해안 습지 생태계 보호/복원 및 기후 온난화 등 분야에 대한 더욱 심층적인 연구를 수행할 예정이다.

진주모층 모방 격막 개발로 리튬전지 내충격 성능 향상

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중국과기대 야오훙빈(姚宏斌)/니융(倪勇)/위수훙(俞書宏) 연구팀은 생체공학 원리를 이용하여 진주모층 모방 격막을 제조하여 리튬전지를 효과적으로 보호함과 아울러 안전위험을 감소시켰다. 해당 성과는 "Advanced Materials"에 온라인으로 게재됐다. 다공성 폴리올레핀은 우수한 전기화학적 안정성을 보유하고 있기에 리튬이온전지 격막에 광범위하게 이용된다. 배터리의 양극과 음극 사이 단락을 방지하는 절연층인 폴리올레핀 내부의 다공성 구조는 배터리 충방전 과정에서 리튬이온 통과에 유리하지만 기계적 성능이 차하다. 특히 격막이 외부의 국부적인 충격을 받을 경우 그 내부 공극 구조가 변형되어 균열 및 부분 공극의 폐쇄를 초래하기에 리튬전지의 성능 및 안전성에 영향을 미친다. 현재 세라믹 나노입자 코팅층으로 폴리올레핀 격막의 열안정성 및 전해액에 대한 침윤성을 향상시키고 있지만 나노입자 코팅층은 국부적인 외력 충격 작용에 효과적으로 견디기 어렵기에 충방전 과정에서 배터리 내부에 필연적으로 불균일한 리튬이온 유동이 발생하여 전극의 아래위 부분에 불균일한 리튬 침적을 유발하며 심지어 리튬 덴드라이트(Dendrite) 생성을 초래한다. 상기 문제점을 해결하기 위해 연구팀은 폴리올레핀 격막 표면에 진주층 모방 규치적 구조를 구축했다. 진주모 모방 코팅층은 층간 슬립 작용을 통해 힘을 받는 면적을 확장시킴으로써 격막 내부 공극 구조를 효과적으로 보호하여 배터리 내부의 균일한 리튬이온 유동을 유지한다. 상업용 세라믹 격막을 사용한 소프트 패킹 배터리(Soft-packing battery)에 비하여 진주층 모방 격막을 이용한 소프트 패킹 배터리는 충격을 받을 경우 작은 개로 전압 변화, 양호한 순환 안전성 및 고안전성을 나타낸다. 두 가지 격막으로 조립한 소프트 패킹 배터리에 대한 충격시험을 수행한 결과, 진주모층 모방 격막은 양호한 배터리 보호 작용을 보유하고 있을 뿐만 아니라 많은 안전위험을 효과적으로 감소시킬 수 있다. 동 연구는 진주층 모방 인성(Toughness) 증가 격막을 제조하는 방법을 제안함과 아울러 이론적 시뮬레이션 및 실험 테스트를 통해 해당 격막이 리튬전지의 내충격 성능을 향상시킬 수 있음을 입증함으로써 리튬전지의 안전성 향상에 새 경로를 개척했다.

중국산 복강경 로봇 개발

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중국이 자체 개발한 투마이(图迈)TM 복강경 수술 로봇이 상하이에서 로봇 보조 복강경 근치적 전립선적출술(RALRP)을 완성했다. 이는 중국산 복강경 수술 로봇이 완성한 첫 RALRP수술로서 어려운 비뇨외과에서 복강경 수술 로봇이 달성한 획기적인 성과이다. 근치적 전립선적출술은 초기 전립선암에 대한 근치요법이다. 기존의 복강경 수술과 비교할 경우, 로봇 보조 수술은 실제 입체 수술 시야, 정밀 제어 손목형 기계 등 장점을 보유하고 있기에 수술 시간을 단축하고 수술 상처를 줄이며 신경과 혈관 보호에 유리할 뿐만 아니라 환자 만족도도 높다. 현재, 미국의 85% 이상의 전립선 적출술은 로봇 보조 수술로 완성한다. 로봇 보조 수술은 최근 외과 발전의 방향과 추세이지만 중국의 로봇 보조 수술 시스템은 수입에 의존하기에 가격과 유통채널에 큰 한계가 있다. 투마이TM 복강경 로봇 시스템은 성능이 우수하여 다양한 특수 수술 보조 기능을 구현한다. 투마이TM 복강경 로봇은 기본 기술에서 자체 혁신을 달성하고 산업화 과정에서 일련의 "병목" 문제를 해결했다. 동종 수입 제품에 비해 의사의 조작 경험을 최적화하고 설비 유지보수와 재료소모 비용을 절감할 수 있다. 현재, 임상 시험과 산업화를 안정적으로 추진하고 국가약품감독관리국의 "혁신 의료기기 특별심사절차"에 들어갔다. 복강경 로봇은 수술 로봇의 가장 중요한 연구 방향으로 의료기기 분야의 항공모함으로 불린다. 투마이TM 로봇의 전립선 적출술에서의 성공적인 응용은 중국산 복강경 로봇이 좁은 해부 공간에서의 복잡한 병증 수술을 진행할 수 있는 능력을 구비하였음을 의미한다. 향후, 중국산 복강경 로봇 제품의 출시는 국제 첨단 기술을 임상에 보급하고 관련 주변 제품의 발전을 추진하며 의료 지출과 환자의 경제적 부담을 크게 경감할 전망이다.

무염소 표백 기술 펄프의 "배독" 및 "표백"

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치루(齐鲁)공업대학교 바이오소재재료친환경제지 국가중점실험실, 펄프제지과학기술 교육부중점실험실에서 공동 개발한 포플러 화학 펄프 세정 고효율 표백 기술이 전문가 검증을 거쳐 국제선진 수준에 도달했다. 전통적인 염소 표백은 일정량의 환경 유해물질을 생성하여 표백 폐수의 생화학적 처리가 어렵고 주기가 길며 과정이 복잡하다. 또한 식품포장지 등에 잠재적 위험을 가져다준다. 연구팀은 포플러 화학 펄프 세정 고효율 친환경 표백 신기술을 개발하여 전통 염소 표백의 일반적인 기술적 문제를 해결함과 아울러 백색도와 물리 성능이 우수한 고강도 펄프를 획득했다. 해당 기술은 친환경 화학적 방법과 생물화학적 방법의 ECF(Elemental chlorine free), TCF(Total chlorinefree) 표백 시리즈 기술을 포함한다. 해당 신기술은 기존의 ECF와 TCF 표백에 비해 펄프의 백색도를 1.7 %-3 % 향상시키고 표백 폐수의 생화학적 기능을 크게 개선시켰으며 표백 폐수 중의 화학적 산소요구량을 15% 이상 감소시켰다. 생물학적 효소 연화와 심층 분해 기술로 제조한 포플러 화학 펄프는 에너지 소모를 20% 감소할 수 있다. 품질검사기관의 검사 결과, 포플러 화학 펄프의 각종 물리적 성능 지표는 모두 국제 동종 제품보다 우수했다. 대조군 펄프와 비교 결과, 주요 강도 지표는 약 10% 향상되었고 백색도는 2% 이상 향상되었다.

세계 첫 액체상태 완전 유연성 지능로봇 개발

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톈진대학교 정밀기기·광전자공학대학 황셴(黄显) 연구팀은 세계 첫 액체상태 완전 유연성 지능로봇을 성공적으로 개발해 유연전자산업 및 인체삽입의료기기 분야에 획기적 돌파구를 마련함으로써 손오공의 "72가지 변신술"을 구사할 수 있는 "혈관의사"를 양성할 전망이다. 해당 성과는 "Advanced Science"에 게재되었다. 유연전자소자는 초박, 유연성 및 확장 가능한 "유사피부" 특성을 보유하고 있기에 의료, 통신 등 분야에 광범위한 응용전망이 있다. 이론적 차원에서 유연전자기술로 개발한 초소형 "연체" 로봇은 반복적 형태 변화가 가능해 운동, 채취, 수송, 촉각감응 등 기능을 구현할 수 있다. 하지만 현 단계의 "연체로봇"은 전통적 강성(rigidity) 센싱 소자 및 회로에 의존하는데 이는 성능 구현을 심각하게 저해한다. 현대사회의 다원화된 수요에 비추어 "완전 유연성" 로봇 개발이 시급하다. 연구팀은 자연계의 해파리, 윤충 등 유연한 강장동물과 플랑크톤으로부터 영감을 받고 액적의 유연 무정형(amorphous) 특성 및 유연전자소자의 초박 유연 특성을 이용해 참신한 "지능 액적"—액체상태 완전 유연성 지능로봇을 구축했다. 해당 초소형, 완전 유연성, 프로그램 제어가 가능한 액체상태 지능로봇은 다양한 환경조건에서 운동, 변형, 센싱·측정 등을 구현할 수 있다. 해당 로봇은 양호한 운동 및 환경적응 능력을 보유하는 외에 온도센서, 습도센서, 광학센서, 응력센서, 글루코스센서, 식품독소센서 등 다양한 센서와 무선 에너지 수집 모듈을 탑재하므로 향후 유전자 서열측정, 화학합성, 약물전달 등 영역에 응용될 수 있다. 한마디로 인체에 진입해 검사·치료할 수 있는 "혈관의사"로 거듭날 전망인바 매우 중요한 과학적 의미와 응용가치가 있다.

생체모방합성 방법을 통한 알킬화 최초 구현

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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

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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

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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.

전자과기대학, 새 플라즈마 제트 소스 개발

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전자과기대학 전자과학공학학원 물리전자학부 연구팀은 성공적으로 새 휴대용 플라즈마 제트 소스를 개발하여 대기압에서 저온플라즈마의 안정적인 방전을 달성함으로써 플라즈마가 공기 중에 완전하게 존재하도록 하였다. 해당 성과는 "Applied Physics Letters"에 게재되었다. 플라즈마는 우리 주변에 널리 존재한다. 형광등은 플라즈마 발광체이고 번개는 흔히 보는 플라즈마 방전이다. 플라즈마는 고체, 액체, 기체 등과 마찬가지로 물질의 제4상태이며 물질이 우주에서 존재하는 보편적인 형태이다. 플라즈마 내에는 풍부한 고에너지입자가 있는데 이들 입자는 고에너지 특성을 가지고 활성이 강해 자체 온도가 상온과 비슷한 플라즈마가 물체에 접촉하기만 하면 물체가 플라즈마 고에너지입자의 공격을 받아 물체 표면 특성을 변화시킨다. 플라즈마의 이러한 특성을 암 치료, 피부 표면 처리, 살균 소독 등 분야에 응용할 수 있다. 플라즈마의 지혈 작용을 예로 들면, 플라즈마는 순식간에 손상된 피부에 딱지가 생기게 하여 정밀한 최소침습시술 효과를 달성할 수 있다. 그러나 대기층의 존재로 인해 대기 상태에서 플라즈마는 생성 및 유지가 어렵다. 연구팀은 마이크로파를 이용하여 플라즈마를 여기시키고 플라즈마 제트 소스 내부와 분사구에 특수한 구조를 설계하여 저온플라즈마 제트가 밀폐 배관이 없이 안정적으로 대기 중에 존재하도록 했다. 제트 길이는 2cm 이상이다. 또한, 실험을 통해 구조적 매개변수를 최적화하고 소자의 고효율, 소형화 및 작동 용이성을 구현했다. 이는 대기압에서 저온플라즈마 제트의 응용 영역을 크게 확장시켰다.