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초평탄 그래핀 박막 개발 성공

난징대학교 물리학부 가오리보(高力波) 연구팀은 초평탄 그래핀 박막의 제어 가능한 성장을 구현함과 아울러 동 성장방법의 내재적 메커니즘 즉 양성자 보조 성장을 발견하였다. 이는 플렉시블 전자학, 고주파 트랜지스터 등 중요 연구영역에 널리 보급될 전망이다. 해당 성과는 "양성자 보조 성장 초평탄 그래핀 박막"이란 제목으로 "Nature"에 게재되었다. 화학기상증착법(CVD)에 의한 그래핀 성장은 현재 대면적, 고품질의 단결정 결정립 또는 박막 제조에서 가장 주요한 방법이다. 하지만 그래핀과 기질재료가 강결합작용으로 인해 그래핀 성장과정에서 주름이 생길 수 있다. 그래핀과 성장 매트릭스의 열팽창률 차이에서 생기는 CVD 그래핀 주름은 그 물리성질에 영향을 끼치는 주요 걸림돌이다. 이러한 현상은 대규모 균일 박막 제조를 제한함과 아울러 2차원 재료의 더한층 개발·응용을 방해한다. 연구팀은 대량 실험에 대한 종합분석에 기반해 고비율의 뜨거운 수소(H2)가 그래핀과 성장 매트릭스 간 결합작용을 일정한 정도로 약화시킴을 발견했다. 또한 이론적 시뮬레이션을 통해 그래핀과 구리 매트릭스 간 수소가 대농도, 고온 조건에서 양자 결합을 약화시키는 역할을 함을 발견했다. 뜨거운 수소 성분에서 양성자와 전자는 그래핀의 벌집격자(honeycomb lattice) 사이를 자유로이 오갈 수 있다는데 비추어 연구팀은 그래핀을 통과한 양성자와 전자가 일정한 확률로 재차 수소로 결합할 것으로 추정했다. 양성자 밀도를 증가시키는 것은 양자 결합작용을 약화시키는 핵심 경로이다. 연구팀은 수소 플라즈마(hydrogen plasma)를 이용해 주름진 그래핀 박막을 처리했다. 또한 고온 보조 조건에서 그래핀 주름을 점차 제거했다. 다시 말해 그래핀 성장시 수소 플라즈마를 도입해 성장시킨 그래핀은 완전 주름지지 않는다. 해당 그래핀 박막의 초평탄 특성으로 인해 그래핀 표면의 기타 물질 제거 특히, 그래핀 전이시 잔류한 전이매질 PMMA 청결이 쉬운 장점을 보유한다. 이외, 초평탄 그래핀 박막의 대형, 고품질 장점을 부각시키기 위해 연구팀은 2μm, 20μm, 100μm, 500μm 선폭에서 그래핀 양자홀효과를 측정했다. 기존 그래핀 양자홀 효과 발생시 최대 선폭이 50μm인데 비해 초평탄 그래핀 박막 양자홀 효과 발생 임계치 조건은 1μm 선폭에서 측정한 고유 그래핀과 거의 일치하였다. 더 중요한 것은 다양한 선폭 측정 플랫폼에서 발생한 임계치는 거의 변함이 없었다. 이는 주름을 제거해야만 대형 그래핀의 균질화, 고품질을 최대한 구현할 수 있음을 의미한다. 양성자보조 CVD법은 그래핀의 고유성질을 최대한 유지함과 아울러 향후 기타 종류 나노재료 제조에 보편성을 지닐 전망이다.

나노미터급 공간 해상도 전자기장 양자 센싱 구현

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중국과기대 궈광찬(郭光燦)/쑨팡원(孫方穩) 연구팀은 50nm 공간 해상도 고정밀도 다기능 양자 센싱을 실험적으로 달성했다. 해당 성과는 "Applied Physics Reviews"에 게재됐다. 마이크로/나노 소자는 크기가 작고 전자기장 강도가 낮으며 쉽게 간섭을 받는 등 특성을 보유하고 있기에 마이크로/나노 전자기장 측정 기술은 높은 공간 해상도, 높은 측정 민감도 및 비파괴 측정 등 어려움을 극복해야 한다. 연구팀은 양자 센싱 및 양자 탐침 등 새로운 아이디어를 이용할 것을 제안함과 아울러 나노미터급 공간 해상도를 보유한 원거리장 광학적 초해상도 이미징 새 기술을 개발했다. 뿐만 아니라 고충실도 양자상태 제어 기술을 결합하여 높은 공간 해상도, 높은 측정 민감도 및 비파괴 측정을 동시에 보유한 마이크로/나노 전자기장 측정 기술을 달성했다. 연구팀은 먼저 다이아몬드 질소-공석 컬러 중심의 전하 상태 제어를 기반으로 나노미터급 공간 해상도 초저 펌핑 출력을 보유한 전하 상태 감쇄 나노 영상술을 제안함과 아울러 4.1nm 공간 해상도의 전자스핀 양자상태 이미징 및 검사를 달성했다. 실험으로 획득한 이미징 해상도는 광학적 회절 한계의 1/86에 도달함으로써 자극방출고갈 형광현미경의 영상술을 초과했을 뿐만 아니라 2014년도 노벨 화학상을 수상한 1/67의 정밀도를 초과하여 생체 생물학적 검사에 이용될 전망이다. 다음으로 연구팀은 심층적으로 CSD 나노 영상술과 형광수명 이미징, 광학적 편광상태 검사, 전자스핀 상태 고충실도 양자 제어 기술을 결합하여 금속 나노와이어 구조가 보유한 광 필드 상태 밀도, 편광, 전류 및 생성된 자기장 등 다양한 물리량의 비파괴 측정을 달성했는데 공간 해상도는 50nm에 달하여 마이크로/나노 광 전자기장 측정 정밀도가 96%를 초과했다. 해당 성과는 높은 공간 해상도 비파괴 전자기장 측정 및 실용화 양자 센싱에 기반을 마련함으로써 마이크로/나노 전자기장 및 광전자 칩의 검사에 이용됨과 아울러 원거리장 초해상도 이미징 기술의 응용 범위를 확장시킬 전망이다.

중국선박중공업 709연구소, "링지우 칩" 기반 5종 그래픽 카드 개발

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중국선박중공업 709연구소는 완전한 자체 지식재산권을 보유한 고성능 3D 그래픽처리장치(GPU) 칩 "링지우(淩久) 칩"을 기반으로 MXM, OpenVPX, XMC, FMC, CPEX 등 5종 그래픽 카드를 개발했다. 해당 그래픽 카드는 중국산 전자 플랫폼의 2D/3D 그래픽 디스플레이 및 처리 요구를 만족시킬 수 있고 다양한 열악한 환경에 적응할 수 있기에 선박, 우주, 항공, 차량 탑재, 첨단 산업 등 분야에 광범위하게 응용될 전망이다. 2018년에 개발한 "링지우 칩"은 중국이 자체 개발한 첫 PCIE 커넥터 기반 그래픽처리장치 칩으로서 범용 전자설비, 선업제어, 전자정보 등 분야에 광범위하게 응용되고 있다.

중국과기대, 최초로 얽힘 시스템 파동함수의 직접 측정 달성

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중국과기대 교수 궈광찬(郭光燦)/리촨펑(李傳鋒)/쉬샤오예(許小冶) 연구팀은 스톡홀름대학교(Stockholm University) Yaron Kedem 연구팀과 최초로 다체 비국소 파동함수의 직접 측정을 공동으로 제안함과 아울러 실험적으로 달성했다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"에 게재됨과 아울러 "편집자 추천" 논문으로 선정됐다. 미국 물리학회 웹사이트 "물리뉴스·평론" 프로그램은 "얽힘상태 직접 측정"이라는 제목으로 해당 성과를 특별 보고했다. 파동함수는 양자역학의 가장 핵심적인 개념으로서 단량체 또는 다체 양자 시스템에서 그 상태를 파동함수로 완전히 묘사할 수 있다. 현재 가장 일반적으로 사용되고 있는 파동함수의 측정 방법은 양자상태 토모그래피이다. 하지만 해당 방법은 측정 시스템 규모의 증가에 따라 자원 소모가 기하급수적으로 증가한다. 2011년, 약한 측정(Weak measurement) 및 약한 값(Weak value) 기반 단일 광자 공간 파동함수 직접 측정 방법이 제안돼 양자상태 토모그래피의 복잡한 재구성 과정을 회피했다. 하지만 다체 시스템의 비국소 가관측량 약한 값 추출이 어려운 원인으로 다체 특히 얽힘을 함유한 양자 시스템의 파동함수 직접 측정을 달성하지 못했다. 리촨펑 연구팀은 최초로 비국소 가관측량의 양자 측정[Phys. Rev. Lett. 122, 100405 (2019)]을 달성한 후 Yaron Kedem과 공동으로 해밀토니안량에 대한 교묘한 설계를 통해 다체 시스템 국소 가관측량 합의 모듈값(Modular value) 측정을 달성한 후 해당 모듈값과 비국소 가관측량 약한 값의 수학적 관계를 이용해 직접 비국소 가관측량의 약한 값을 측정했다. 해당 방법으로 다체 시스템의 비국소 가관측량의 약한 값 추출 어려움을 성공적으로 해결함으로써 매우 간편하게 다체 비국소 파동함수 측정에 이용할 수 있다. 연구팀은 실험적으로 2광자 초얽힘(Hyperentanglement)을 이용해 성공적으로 2광자 비국소 파동함수의 직접 측정을 시연했다. 또한 2광자를 편광 및 채널이 최대 얽힘상태인 초얽힘 상태에 제조하여 편광 및 채널 사이의 상호작용을 달성했으며 최종적으로 채널 포인터(Pointer)의 다양한 투영 매질에서 카운트(Count)를 통해 2광자 편광 상태의 파동함수를 직접 측정했다. 해당 성과는 최초로 다체 얽힘 시스템 파동함수의 직접 측정을 달성함으로써 향후 양자정보기술로 대규모 얽힘 시스템을 측정하는데 고효율적인 방법을 제공했다. 해당 연구는 또한 파동함수의 직접 측정 기술은 약한 측정이 아닌 약한 값에서 유래됐음을 규명했으며 더욱 주요한 것은 얽힘을 함유한 다체 양자 시스템 파동함수의 직접 측정은 순수한 양자기술로서 고전적인 간섭 과정에 기반하지 않음을 입증했다. 해당 방법은 양자물리 기본 문제 연구에 새 아이디어를 제공함과 아울러 양자정보기술 발전에 중요한 추진 역할을 일으킬 전망이다.

"뭐쯔호"를 이용해 세계 최초로 양자얽힘 결잃음 실험적 검증 수행

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중국과학기술대학 판젠웨이(潘建伟) 연구팀은 미국 캘리포니아공과대학, 호주 퀸즐랜드대학 등 연구팀과 공동으로 "뭐쯔호(墨子号)" 양자과학실험위성을 이용해 중력장이 양자 결잃음(decoherence)을 초래한다고 예언한 이론모형을 실험적으로 검증하였다. 해당 성과는 "최초 발표" 형식으로 "Science"에 온라인으로 게재되었다. 양자역학과 중력이론을 어떻게 융합시킬지에 관한 논의에 실험적 검증이 부재한 현재에 양자위성은 해당 이론을 검증하는데 이상적인 플랫폼이다. 판젠웨이 연구팀은 지구-위성 간 양자상태 분배에 기반해 일련의 혁신적인 실험연구를 수행했다. 중국은 2016년 8월 16일에 세계 첫 양자과학실험위성 "뭐쯔호"를 발사해서부터 2017년 8월까지 1,000km급 지구-위성 양방향 양자얽힘 분배, 지구-위성 양자암호키 분배, 지구-위성 양자순간이동(quantum teleportation) 등 3대 예정된 과학목표를 원만히 완성했다. "뭐쯔호"의 전단계 실험작업 및 기술축적을 바탕으로 연구팀은 세계 최초로 우주에서 중력으로 인한 양자얽힘 결잃음 실험적 검증을 수행함과 아울러 지구 중력장을 통과하는 양자얽힘 광자의 결잃음 상황을 테스트했다. 최종적으로 일련의 교묘한 실험설계 및 이론적 분석을 통해 "사건형식" 이론이 예언한 중력장으로 인한 얽힘 결잃음 현상을 확실하게 배제하였다. 뿐만 아니라 실험 관측 결과에 기반해 기존의 이론모형을 수정 보완했다. 수정 후의 이론에 따르면 500km "뭐쯔호" 궤도높이에서 얽힘 결잃음 현상은 비교적 미약하였다. 심층적인 확실성 검증을 위해서는 향후 더 높은 궤도 실험플랫폼에서 연구할 필요가 있다. 해당 연구는 세계 최초로 양자위성을 이용해 지구 중력장에서 양자역학과 일반상대성이론을 융합시키고자 하는 이론을 실험적으로 검증했는데 이는 관련 물리학 기초이론 및 실험연구를 크게 촉진할 전망이다.

태양계 인근 거주가능 행성 탐색 "미인계획" 가동 예정

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2019년 12월 12일 중국항천과기그룹유한회사(CASC) 위안제(袁潔) 사장에 의하면, 향후 25년 동안에 실시예정인 주요 프로젝트에 태양계 인근 거주가능 행성 우주탐사계획—"미인(覓音)계획"도 포함된다고 밝혔다. "미인계획"은 우주선을 발사해 직접촬영 수단으로 태양계 밖 거주가능 행성을 발견·인증하고 그 주거적합성을 평가하는 외, 태양계 천체에 대한 스펙트럼 전천탐사를 통해 물의 분포를 밝혀내는 등 0.01각초 공간해상도 중적외선 주파수대 천문관측의 새장을 열 전망이다. "미인계획"의 핵심기술에는 공간 분산식 합성개구어레이망원경기술, 저잡음 중적외선탐측기기술, 높은 민감도 고안정성 심저온 우주탐측기술, 우주 기반 이미징 플랫폼 다단계 시스템 고정밀도 고안정성 구성제어기술, 우주 기반 관측시스템 구조 최적화 및 수치시뮬레이션기술 등이 포함된다. CASC는 2020년에 장기간 유인관리 지구 저궤도 우주정거장 구축을 가동하는 한편 달탐사 프로젝트 3기 창어(嫦娥) 5호 임무를 추진해 달표면 무인 샘플링 및 귀환을 달성할 계획이다. 또한 30개 위성으로 구성된 혼합 위성성좌인 베이더우(北鬥)항법위성 글로벌시스템을 완공해 서비스 범위를 지구 전역으로 확장하고, 고해상도 지구관측시스템 위성 발사 및 궤도응용도 곧 완성하며, 저궤도 모바일인터넷 위성성좌 "훙옌싱쭤(鴻雁星座)" 구축에도 가속할 예정이다.

저궤도 원격감지 위성 해상도 0.65미터 달성

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중국국가항천국에 의하면, 가오펀(高分) 특별 프로젝트 실행 후, 중국의 저궤도 원격감지 위성 해상도는 기존의 최대 2.1m에서 0.65m로 향상되었고 정지궤도 원격감지 위성 해상도는 기존의 km급에서 50m급으로 향상되었으며 저궤도 원격감지 위성 설계 수명은 3년에서 8년으로 향상되었다. 가오펀 특별 프로젝트는 9년간 개발을 거쳐 안정적으로 운행하는 가오펀 위성 원격감지 시스템을 초보적으로 구축하였고 전천후, 24시간, 시공간 조화의 지구 관측 능력을 형성했다. 또한, 상이한 공간 해상도, 커버 폭, 스펙트럼 대역 및 재방문 주기의 가오펀 데이터 시스템을 기본적으로 형성하였으며 기타 위성 원격감지 데이터와 결합하여 가오펀 원격감지 응용을 위한 기반을 마련함으로써 중국의 우주 기반 지구관측 수준을 크게 향상시켰다. 가오펀 특별 프로젝트의 우주 기반 시스템 구축에 따라 중국의 수입 위성원격감지 데이터의 80%가 가오펀 특별 프로젝트 데이터에 의해 대체되었다. 기존에는 국토, 임업, 측량제도 등 8개 분야, 베이징 등 소수 지역에서만 원격감지 위성을 응용했지만 현재 가오펀 데이터는 20개 분야, 31개 지역에 광범위하게 응용되어 국가 거버넌스 시스템 및 거버넌스 능력 현대화에 중요한 정보 기술 지원을 제공한다. 아울러 "가오펀 응용 종합 정보 서비스 공유 플랫폼"은 103개 데이터 응용 표준을 발표하고 데이터 응용 관리방법을 반포했으며 비상 관측 시스템을 제정하고 2017년, 2018년 및 2019년 중국 가오펀 국가보고서를 작성했다. 가오펀 프로젝트는 중국의 위성 원격감지 분야에서 양자 및 다자 협력을 위한 중요한 출발점이 되었다. 또한, 가오펀 7호의 첫 번째 22개 서브미터급 입체 영상 제품을 발표하였는데 베이징 서우두(首都)공항, 다싱(大兴)공항, 옌치후(雁栖湖), 안후이(安徽) 징현(泾县), 광둥(广东) 양춘(阳春), 산둥(山东) 허쩌(菏泽)등 여러 지역의 오르토포토, 스테레오 에피폴라 영상, 디지털 표면 모델 제품을 포함한다. 아울러 "가오펀 데이터 응용 공통성 제품 3급(광학 기하)분류 표준"을 발표했다. 가오펀 7호 위성은 2019년 11월 3일에 성공적으로 발사된 후, 주요 탑재체는 11월 5일에 궤도에 진입하여 데이터를 전송하였으며 이미 14,000개 이상의 위성 영상 데이터를 획득했다.

중국 레이저 거리측정 기술 획기적 성과 달성

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2019년 12월 8일 화중과학기술대학교와 중산대학교가 공동으로 주최한 제6기 톈친(天琴)우주과학임무심포지엄에 의하면 "톈친계획" 연구팀은 2019년 6월부터 지구와 달 사이의 거리 레이저 측정을 여러 차례 달성했다. 또한, 중국 최초로 달의 5개 레이저 반사경의 에코신호를 전부 획득했다. 현재, 전세계적으로 중국을 포함한 5개 나라만이 지구와 달 사이 거리의 정확한 레이저 측정 기술을 보유하고 있다. 지구와 달 사이 거리 레이저 측정은 펄스 레이저를 광원으로 하여 지구와 달 사이의 공간 거리를 정확히 측정하는 것을 말하며 또한 "톈친계획" 우주 중력파 탐측에서 반드시 파악해야 하는 핵심 기술이다. 연구팀은 1년도 안 되는 사이에 중산대학교 주하이(珠海)캠퍼스에 레이저 측정 기지를 구축하고 지구와 달 사이 거리의 정확한 측정을 달성함으로써 "톈친계획" "0123" 로드맵의 "0" 단계를 완성했다. 해당 로드맵의 "1" 단계는 국가 프로젝트인 첫 번째 미래 중력파 우주 탐측 기술 시험 위성으로 2019년 말에 발사할 예정이다. "톈친계획"은 중국과학원 뤄쥔(罗俊) 원사가 2014년 3월에 제안한 국가주도형 중국주도의 국제우주중력파탐측 계획이다. 뤄쥔 원사는 1994년부터 화중과학기술대학교 인력센터에서 우주 중력파 탐측 연구를 시작하여 20여 년간 많은 핵심 기술을 축적했고 기술 인재를 양성했다.

세계 첫 SKA 지역센터 프로토타입 개발

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중국과학원 상하이(上海)천문대는 중국 SKA(Square Kilometre Array) 지역센터 프로토타입을 개발했다. 이는 세계 첫 SKA 지역센터 프로토타입이며 향후 SKA 지역센터 구축 및 과학적 운영 추진에 도움이 될 전망이다. 해당 성과는 "Nature Astronomy"에 게재됐다. SKA 망원경은 세계 최대 규모 전파천문망원경으로서 전체 어레이 규모는 3,000Km를 초과하며 구경합성(aperture synthesis)은 1Km2에 달한다. SKA 망원경 구축은 우주기원, 중력의 본성, 암흑에너지 및 암흑물질 등 수많은 해결하지 못한 우주 비밀을 밝히려는데 그 목적을 두고 있다. SKA 망원경은 수천 내지 수만 개의 소형 안테나가 수신한 신호를 결합하여 총 수집 면적이 약 1Km2인 대형 전파망원경을 시뮬레이션할 수 있으며 민감도는 현재 기능이 가장 강한 전파망원경의 수십 배에 달한다. 해당 안테나에는 2,500개의 나비형 중간주파 안테나와 130만 개의 대수주기 저주파 안테나가 포함되며 주로 서부호주와 남아프리카에 분포되어 최적의 은하계 시야 및 최소의 전파 신호 간섭을 제공할 수 있다. SKA는 데이터 연산에 대한 요구가 매우 높으며 지역데이터센터는 대량의 천문 관측 데이터를 처리하는 "대뇌"에 해당된다. SKA가 1년에 생성하는 우주 관측 데이터는 600PB를 초과한다. 이 방대한 데이터는 심층적 분석 및 가공을 거친 후 이용될 수 있는데 해당 작업은 여러 개 대륙에 분포되어 있는 지역데이터센터가 공동으로 수행한다. SKA는 천문학사상 최대 규모의 데이터 스트림(Data stream)을 생성할 전망이다. SKA가 운영에 들어갈 경우 SKA의 제1단계(전체 규모의 10%) 생성 데이터는 1년에 약 100만 GB의 속도로 증가되고 대응되는 연산능력은 적어도 1초에 부동 소수점 연산 횟수가 30억억 라운드에 달한다. 현재 중국, 호주, 유럽은 지역센터 구축을 가동했다. 중국 SKA 지역센터 프로토타입은 적합한 하드웨어/소프트웨어 부품을 선택하여 제한된 전력소비 조건에서의 최적 성능을 달성했고 컴퓨팅, 메모리, 네트워크 등 3대 모듈을 혁신적으로 개발했다. 또한 컴퓨팅 모듈은 신형 Data island 구조를 채택하여 전체 데이터센터를 여러 개 작은 영역 또는 많은 하위 데이터 센터로 분할함으로써 독립적으로 데이터 처리 임무를 수행할 수 있을 뿐만 아니라 요구에 따른 유연성 자원 재조합을 달성하여 SKA의 다중 임무 병렬 처리 요구를 만족한다. 상하이천문대는 SKA 핵심 소프트웨어의 공동개발 및 대규모 통합 테스트를 완료했을 뿐만 아니라 국가중점연구개발계획 거대과학장치 프런티어연구 특별프로젝트 "SKA 전단계 데이터 처리 시스템 구축 및 관련 과학 예비연구" 및 중국과학원 국제협력 거대과학계획 육성 특별프로젝트 "SKA 아시아태평양 과학데이터센터의 기본 구축" 등을 주최했다. SKA 지역센터 프로토타입은 2020년에 사용에 들어가 전세계에 필요한 컴퓨팅 자원, 고품질 데이터 제품 및 간편한 기술 지원을 제공함으로써 SKA 과학 연구 수행 및 SKA 데이터 요해에 도움을 제공할 전망이다. 해당 프로토타입의 선도적 작동 및 실제적 운영 경험은 SKA 지역센터 설계 및 향후 대규모 확장에 소중한 가치가 있다.

위암 유발 헬리코박터파이로리 사멸 가능한 리놀렌산아연 개발

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난징(南京)의과대학교 기초의학대학 비훙카이(畢洪凱) 연구팀은 헬리코박터파이로리(Helicobacter pylori)에 대하여 뛰어난 항균효과를 보유함과 아울러 약물내성을 쉽게 유발하지 않고 안정성이 높은 리놀렌산아연 소분자 화합물을 합성했다. 해당 성과는 "항균제제·화학요법"에 게재됐다. 전세계적으로 위암 환자는 1년에 약 100만 명 증가되고 있는데 그 중에서 중국 위암 환자가 약 50만 명을 차지하며 약 20만 명이 위암으로 생명을 잃고 있다. 세계 위암 환자의 약 50% 이상은 헬리코박터파이로리 감염에 의해 유발되며 중국에서 헬리코박터파이로리 감염에 의해 유발된 위암 환자는 60%에 달한다. 헬리코박터파이로리 감염의 광범위성, 발병 심각성, 약물내성 심각성은 인체건강을 위협하는 공공성 문제이다. 헬리코박터파이로리는 약물내성이 아주 강하기에 세계보건기구는 헬리코박터파이로리를 신형 항생제가 절박히 필요한 12종 "슈퍼세균" 중 하나로 확정했다. 인간의 위는 헬리코박터파이로리의 유일한 자연 숙주이며 위산도 헬리코박터파이로리를 사멸할 수 없다. 현재 비교적 효과적인 치료 방법은 2종 항생제를 함유한 3제 요법 또는 4제 요법이다. 하지만 항생제를 장기간 사용하면 균주에 약물내성이 생겨 치료효과에 영향을 미친다. 따라서 완치율이 낮고 더 나아가 위장관 세균군의 균형을 파괴시키고 신진대사 및 면역력 장애 등 부작용을 유발하여 기타 질병의 발생 위험성을 증가시킨다. 상기 문제점을 해결하기 위해 헬리코박터파이로리의 약물내성을 제거할 수 있는 물질 개발이 시급하다. 연구팀은 전단계 화학합성을 통해 최적 효과의 리놀렌산아연을 선별했다. 해당 화합물의 체내외 항균 효과, 위점막 조직 병리 복원, 염증인자 조절, 세포 및 장기의 손상 평가 등을 수행한 결과, 리놀렌산아연은 안전하고 효과적으로 헬리코박터파이로리를 사멸할 수 있을 뿐만 아니라 "특이성"을 보유하고 있기에 장기간 사용하여도 약물내성을 유발하지 않으며 또한 양호한 개발 잠재력을 보유하고 있다. 해당 연구는 이미 중국 국가특허로 등록되었다.

인간 초기배아 염색체 구조 동적 변화 최초로 규명

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중국과학원 베이징게놈연구소 류장(劉江) 연구팀은 산둥대학교 부속생식병원 천쯔장(陳子江) 연구팀과 공동으로 인간 초기배아 염색체 3차원 구조의 동적 변화를 최초로 규명함과 아울러 CTCF 단백질이 초기배아 발육중의 TAD(topologically associating domain) 구조에 대한 중요한 조절기능을 발견함으로써 인간 배아발육 메커니즘을 더한층 이해하는데 이론적 기반을 마련하였다. 해당 성과는 "Nature"에 게재되었다. 염색체 3차원 구조는 유전자 발현 조절과 밀접한 연관이 있는 중요한 후성유전학적 요인으로서 그 동적 변화는 세포기능 발휘, 질병 발생 등에 영향을 미친다. 인간 정자·난자 수정 후 세포핵 속 염색체 구조가 어떻게 변화하며 어떤 생물학적 분자가 배아 염색체 구조 변화에 미치는 영향은 미해결 과학문제로 남아있다. 그리고 정자가 형태·기능 분야에서 기타 최종분화(terminal differentiation) 세포와 판이하며 염색체가 인간 정자에서 어떻게 압축·접혀지는지도 밝혀지지 않았다. 연구팀은 정자 및 인간 초기배아 발육 과정 중 염색체 구조 동적 변화 상황을 묘사하였다. 연구 결과, 성숙된 인간 정자 속에 TAD 구조가 없었고 염색질 조절단백질 CTCF도 검출되지 않았는데 이는 생쥐 정자의 상황과 완전히 달랐다. 수정 후 배아 속 TAD 구조는 분명하지 않았고 후속 배아 발육 과정에서 염색체는 또렷한 TAD 구조를 형성하였다. 특히 유의해야 할 점은 생쥐/초파리 배아와 달리 인간 초기배아에서 접합 유전자 활성화(zygotic genome activation, ZGA) 차단을 통해 TAD 구조의 구축을 억제할 수 있다는 것이다. 연구에서 CTCF 단백질의 발현량은 ZGA 전에 매우 제한적이었으나 TAD 구조 내 ZGA 시기에서는 빠르게 상승함을 발견했다. 배아 중 CTCF 단백질 녹아웃은 TAD 구조의 유의적 약화를 유발할 수 있는데 이는 ZGA시 CTCF 단백질 발현은 인간 초기배아의 TAD 구조 구축에 있어 매우 중요함을 설명한다. 해당 연구는 인간 정자 및 초기배아 염색체 구조의 독특성을 깊이 있게 이해하는데 도움을 주었고 시험관아기기술 개선 및 우생학 촉진에 이론적 기반을 마련하였다.

청각 전도 이온통로 확정

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최근, 푸단(復旦)대학교 생명과학대학 옌즈창(閆致強) 연구팀, 모토유키 하토리(Motoyuki Hattori) 연구팀은 도쿄대학 오사무 누렉(Osamu Nurek) 연구팀과 공동으로 TMC1/2는 귀 달팽이관 유모세포 내 청각 전도 이온통로임을 확정함으로써 청각 연구 분야에서 약 40년 동안 해결하지 못한 문제를 해결했다. 해당 성과는 "Neuron"에 게재됐다. 인간이 소리에 대한 감지는 내이의 코르티기관에서 비롯된다. 코르티기관에는 16,000개가 넘는 유모세포가 있으며 소리를 기계적 신호로부터 전기적 신호로 전환시키는 기계적 전달통로는 계단형으로 배열된 유모세포의 부동섬모 다발에 위치하여 있다. 약 40년 전 청각 유모세포의 청각 전도 전류를 기록했고 청각 전도를 담당하는 분자에 대한 연구를 다년간 수행했지만 확정하지 못했다. TMC1/2 유전자를 포함한 청각 전도로의 많은 후보유전자는 모두 청각 전도에 영향을 미칠 수 있다. TMC1/2는 최초로 이롱 환자에서 발견됐다. TMC1/2는 유모세포가 전류를 기계적 전도하는 필수적인 단백질로서 기계적 전도가 발생하는 부동섬모 첨단부에 위치하여 있으며 또한 유모세포에서 발현된다. 기존 연구에서 유전학적 방법을 통해 막관통 통로 유사 단백질을 코딩하는 TMC1/2 유전자가 생쥐 청력에 대한 중요성을 규명했다. TMC1 돌연변이는 생쥐의 기계적 민감성 전류 특성을 개변시킨다. 하지만 TMC1/2 단백질이 이온통로인 여부 및 기계적 자극-의존성 통로인 여부는 확정하지 못했다. 연구팀은 TMC 단백질이 배양한 세포에서 발현될 경우 세포막에 수송되기 어렵기에 전기 생리학적 특성을 정상적으로 기록하기 어려움을 발견했다. 해당 문제를 해결하기 위해 연구팀은 정제하여 획득한 TMC1/2 단백질을 리포좀과 재조합시킨 후 체외에서 TMC 단백질이 이온통로 인지의 여부를 연구했다. 체외 재구성을 달성하기 위해 연구팀은 직교 선별(orthogonal screening)을 이용하고 형광검사 기반 부피 배제 크로마토그라피 열안정성 검사(FSEC-TS)를 통해 21가지 다양한 종에서 유래된 TMC 단백질을 선별했다. 그 중에서 푸른바다거부기 유래 TMC1(CmTMC1)과 사랑앵무새 유래 TMC2(MuTMC2)는 곤충 세포에서 고순도로 발현된다. TMC 단백질은 이온통로 활성을 보유하고 있기에 외부 전압에 의해 단백질 기공 통로를 자발적으로 개방시켜 전류를 생성할 수 있다. 고속 압력 클램프를 이용해 재조합 CmTMC1와 MuTMC2 통로에 압력을 가할 경우 CmTMC1과 MuTMC2 통로는 직접 기계적 힘에 응답할 수 있을 뿐만 아니라 전류강도 응답 및 단일 통로 개방 확률은 외부 압력의 증가에 따라 증가된다. 연구팀은 또한 생쥐 이롱 유발 Tmc1 돌연변이체 단백질로 여러 개의 보수적 아미노산 돌연변이 기반 CmTMC1 점돌연변이 단백질을 구축했다. 체외 리포좀 재구성 및 기능성 실험 결과, 해당 돌연변이체 단백질은 이온통로 활성 결함 또는 기계적 응답 결함을 보유한다. 연구팀은 주로 CmTMC1과 MuTMC2를 연구했지만 CmTMC1과 MuTMC2는 생쥐의 TMC1/2 단백질과 매우 유사한 진화 보수성을 보유하고 있기에 CmTMC1과 MuTMC2에 대한 연구에서 발견한 연구결과는 TMC1/2 단백질에 적용된다. 해당 분야에서 생쥐와 인간은 아주 유사하다. 이는 포유동물의 TMC1/2은 이온통로일 가능성이 매우 높으며 또한 기계적 힘에 응답할 수 있음을 의미할 뿐만 아니라 TMC1/2은 인간의 청력 손상과 밀접한 연관성이 있다. 해당 연구에서 청각 전도 이온통로를 확정함으로써 청각 손상 치료 메커니즘을 심층적으로 탐구하는데 도움이 되고 치료 경험의 축적은 새로운 돌연변이 발견에 도움이 될 전망이다. 연구팀은 신생아 청력 유전적 결함 메커니즘 연구 및 예방, 진단, 치료 등에 관한 지속적인 연구를 수행하고 있다.

대뇌 노화의 새로운 표지 유전자 발견

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중국과학원 쿤밍(昆明)동물연구소 연구팀은 4마리 젊은 히말라야원숭이와 3마리 늙은 히말라야원숭이의 44개 뇌영역 547개 전사체 데이터를 기반으로 비인간 영장류동물 대뇌 노화의 잠재적 분자 유전 메커니즘 연구를 수행함과 아울러 대뇌 노화를 초래할 수 있는 새로운 표지 유전자를 발견했다. 해당 성과는 "Genomic Biology"에 게재되었다. 대뇌 노화는 여러 뇌영역의 정확한 조절에 의존하는 복잡한 과정이다. 기존의 연구는 통상적으로 소수의 뇌영역에 초점을 맞추었으며 여러 뇌영역의 전사 매핑을 이용한 대뇌 노화 배후의 분자 메커니즘 분석이 부족하다. 연구팀이 대규모 전사체 데이터에 기반하여 분석한 결과, 나이가 들면서 피질 내 뇌영역 사이의 발현 연결성과 피질 내 좌우 뇌반구 사이의 발현 연결성이 현저하게 감소된다. 각 뇌영역에서 유전자 발현과 선택성 접합은 다양한 메커니즘을 통해 대뇌 노화를 조절하며 다양한 뇌영역 사이의 노화 분자 메커니즘은 대동소이하다. 히말라야원숭이 전사체 데이터의 유전자 동시발현 네트워크 분석을 통해 연구팀은 늙은 원숭이한테서 연결성 향상을 나타내는 9개 모듈을 발견했고 하나의 네트워크 핵심 구동 유전자 PGLS를 해석했다. PGLS가 늙은 원숭이에서의 발현 상향 조절은 대뇌 노화에 중요한 작용을 할 가능성 있다. 생쥐 체내에 PGLS를 과다발현시킨 결과, 생쥐는 인지 능력 저하, 운동능력 감소, 식용부진 등 노화 표현형 증상을 나타냈다. 심층 실험을 통해 PGLS 과다발현이 시냅스 손실과 세포 사망을 초래함을 입증했다. 따라서, 연구팀은 PGLS가 대뇌 노화의 새로운 표지 유전자일 수 있다고 추정했다. 해당 연구는 중국 "모델동물 표현형 및 유전 연구 국가중대과학기술 인프라(영장류)" 구축 프로젝트를 기반으로 수행했다. 동 프로젝트는 영장류동물의 표현형 및 유전형에 대한 체계적인 연구를 통해 생명 현상 변화 중의 표현형과 내재적 유전의 관계를 신속하고 정확하며 심도있게 분석했다. 이는 생명과학과 의약건강 분야 연구에 중요한 의미가 있다.

싼장위안, 첫 생활쓰레기 저온열분해 처리장 본격 가동

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칭하이(青海)성 궈뤄(果洛)장족자치주 간더(甘德)현 장쳰(江千)향 싼장위안(三江源) 지역의 첫 생활쓰레기 저온열분해 처리장이 본격 운영에 들어갔다. 싼장위안 지역은 중국, 나아가서 아시아의 중요한 수원함양 생태기능 구역으로서 생물 다양성 자원의 보물고이자 중요한 유전자풀이다. 또한 "중화 급수탑" 및 "고산생물 자연생식질자원 데이터베이스"로 불리며 생태적 위치가 독특하고 대체 불가능하다. 2018년 말에, 칭하이성 과학기술청과 궈뤄장족자치주인민정부는 의정서를 조인하고 궈뤄주 발전 방향과 목표에 기반하여 생태문명 건설과 특색 산업 발전에 초점을 맞추어 전통 산업을 적극 활성화시키고 새로운 특색 산업을 발전시키며 빈곤해탈 난관공략과 향진 진흥을 추진하고 궈뤄 특색의 현대 산업 기술 체계를 적극 구축하기로 하였다. 칭하이성과학기술청 사회발전과학기술처는 싼장위안 지역의 오염퇴치 공방전을 적극 전개하고 궈뤄주 전지역의 쓰레기 제로화를 위한 기술적 지원을 제공하고 칭하이사범대학 등과 협력하여 "고해발 농목구 촌진 쓰레기 무공해 처리 연구 시범" 과학기술성과 전환 프로젝트를 실시했다. 장쳰향 생활쓰레기 저온열분해 처리장은 해당 프로젝트의 시범처리장 중 하나로서 면적이 400평방미터이고 총투자가 165만 위안이며 하루 생활쓰레기처리량이 1.22톤에 달한다. 해당 쓰레기 처리장은 칭하이고원 농목지역의 고해발, 저기압, 고한 등 특성에 맞추어 저온열분해 기술을 이용하여 쓰레기 가연성 물질을 열분해 연료로 하고 열화학반응을 이용하여 대분자 물질을 소분자 물질로 분해하고 습식 정전기 정화, 배기가스 처리 스프레이, 배기가스 촉매 등 처리 과정을 거쳐 저에너지 쓰레기 처리, 무연무색의 배기가스를 달성하고 배출가스와 회분이 국가배출표준에 부합되었다.

중-미 공동연구팀, 새로운 유연성 냉동 방법-"비틀림열 냉장고" 기술 개발

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난카이(南开)대학 약물화학생물학 국가중점연구실 류준펑(刘遵峰) 연구팀과 미국 텍사스대학 달라스캠퍼스 Ray H. Baughman 연구팀은 공동으로 개발한 유연성 냉동 신전략-"비틀림열 냉동" 기술이 "Science" 온라인에 소개되었다. 연구에 따르면 섬유 내부의 비틀림 정도를 변경하면 냉각을 달성할 수 있다. 해당 방법으로 제조한 "비틀림열 냉장고"는 냉동 효율이 더 높고 체적이 더 작으며 친환경적일 뿐만 아니라 천연고무, 낚싯줄, 니켈-티타늄 합금 등 다양한 일반 재료에 적용 가능해 그 전망도 밝다. 예비 실험 결과, "비틀림열 냉동" 기술의 카르노 효율은 67%에 달할 수 있다. 이는 냉동에 고무, 낚싯줄과 같은 일반 재료를 사용하여 더 높은 카르노 효율을 달성함으로써 더 많은 전기에너지를 절약하고 냉동 비용을 절감할 수 있음을 의미한다. 연구팀은 고무, 낚싯줄, 직물선 및 강도가 더 크고 열전달이 더 빠른 니켈-티타늄 형상기억합금을 이용하여 "비틀림열 냉동"을 테스트했다. 그 결과, 체적이 더 작고 강도가 더 크며 효율이 더 높은 냉동 효과를 달성했다. 또한, "비틀림열 냉동" 기술에 기반하여 냉장고 모형을 제작하고 3개의 니켈-티타늄 합금선을 냉동 재료로 하여 흐르는 물의 온도를 섭씨 7.7도 낮추었다. "비틀림열 냉장고"의 상업화의 길은 아직 멀지만 많은 기회와 도전도 존재한다. 신소재를 개발하여 순환 사용 수명을 늘리고 입력 작업을 합리적으로 이용하여 효율을 높여야 하는 도전과 기존의 상용 재료를 사용하는 것 외에도 "비틀림열 냉동" 재료를 심층 최적화하여 최적의 성능을 획득할 수 있는 잠재적 기회가 존재한다. 해당 냉동 기술은 냉동 분야에 새로운 영역을 확장하고 냉동 분야의 에너지 소모를 감소하기 위한 새로운 방법을 제공한다.

초임계수 증기 석탄: 석탄 연소 오염 원천 차단

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최근, 시안(西安)교통대학 첨단과학기술연구원 신경·질병연구센터 연구팀은 최초로 뇌속에 감각 조절 피질이 척수로 향한 직접 투사가 존재함과 아울러 척수 통각 정보 증폭 효과에 직접 참여함을 입증하였다. 해당 효과는 뇌간 통각 조절 계통과 직접적인 관련성이 없다. 관련된 연구성과는 "Nature Communications"에 게재되었다. 연구팀은 인체 척수 전체 세포 패치 클램핑 기록, 형태학적 추적, 면역전자현미경 및 광유전학 기술 등에 대한 종합 이용을 통하여 전방대상피질(Anterior cingulate cortex, ACC)에 척수로 향한 직접 투사가 존재할 뿐만 아니라 직접 척수의 흥분감각 정보 전달을 증폭함을 발견하였다. ACC는 가능하게 척수로의 직접 투사 또는 뇌간 유도에 의한 척수로의 투사를 통하여 척수 감각 정보 전달에 대한 중추신경계 내에서의 하향 활성화 조절 작용을 일으켜 감각 정보가 말초신경 감각 말초로부터 척수에 전달되게 하며 더 나아가 상향으로 감각 피질에 전달되게 한다. 그러나 운동 정보는 운동 피질에서 근원되었기에 하향으로 직접 척수에 전달된다. 기존의 연구에서 감각 피질에 존재하는 척수로의 직접 투사를 발견하지 못하였다. ACC는 둘레계통의 일부분이며 감각 및 관련 정서, 인지 기능과 관련성이 밀접한 핵군이다. 해당 연구는 뇌속 통증 조절 시스템에 대한 연구에 중요한 의미가 있고 감각 피질의 척수 뉴런 활성 하향 조절 연구에 새로운 아이디어를 제공하였다. 또한 기존의 뇌간-척수 하향 조절 특히 하향 활성화 조절 연구에 중요한 보충작용이 있다. ACC의 흥분성은 만성통증 상황에서 지속적으로 증가되지 않는데 이는 만성통증 유지에 대하여 아주 중요한 역할을 일으킨다. 만약 유전학 및 약리학 방법을 통하여 해당 흥분성을 감소시키면 진통작용을 일으킬 수 있다. ACC 흥분성의 증가는 척수 통증 신호 진입의 증폭을 유발하여 통증 환자가 통증에 대한 더욱 큰 민감성이 대뇌에서 구현되게 할 뿐만 아니라 척수에서도 구현되게 한다. 해당 연구의 심층적 추진은 향후 새로운 치료 방안 및 약물을 개발하여 환자의 만성통증을 통제하는데 중대한 의미가 있다.

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.

항암 치료용 "지능 광열 재료" 개발

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중국과학기술대학교 량가오린(梁高林) 연구팀은 광열 전환 효율이 기존의 임상 광열 재료보다 1배 이상 향상된 새로운 광열 재료를 개발함으로써 광열 항암 기술 분야에서 중요한 돌파를 달성했다. 해당 성과는 "Advanced Functional Materials"에 게재되었다. 광열 요법은 수술, 화학요법, 방사선요법 후에 나타난 새로운 최소침습 항암 기술이다. 그 주요 기술 원리는 광열 전환 기능을 보유한 약재를 인체에 주입한 후 표적 식별 기술을 이용하여 약재를 종양 부근에 집합시킨 다음 레이저 조사를 통해 광에너지를 열에너지로 전환시켜 암세포를 사멸한다. 그러나 레이저 조사의 경우 광열 재료는 종종 형광을 방사하는데 방사된 형광이 많으면 전환되는 열에너지가 적어진다. 해당 문제를 해결하기 위해 국제 학술계는 "형광 담금질" 기술을 개발하여 분자 간 형광 소광을 "유도"하여 발열에 "집중"하도록 했다. 연구팀은 독특한 솔류션을 이용하여 새로운 유기소분자 재료를 설계 합성했다. 해당 재료는 암세포에 섭취된 후, 지능적으로 먼저 "분자 내 형광 담금질"을 시작하고 다음으로 "분자 간 형광 담금질"이 발생한다. 두 차례의 "담금질"을 통해 재료의 열전환 효율을 향상시킨다. 중국과학기술대학교 장쥔(江俊) 연구팀, 장췬(张群) 연구팀, 안휘이(安徽)사범대학교 왕광펑(王广凤) 연구팀 등은 이론적 계산과 실험을 통해 기존에 일반적으로 사용되는 "형광 발광 담금질" 기술과 비교할 경우, 새로 개발한 신소재는 광열 전환 효율을 1배 이상 향상시킬 수 있으며 생체 종양의 광열 치료 효과를 대폭 향상시킬 수 있음이 입증되었다. 해당 기술은 임상에서 광열 전환 효율을 향상시키기 위한 새로운 방법을 제공했으며 기타 질병의 광열 치료에도 응용될 전망이다.

기판 바벨각 조절로 LED 발광성 향상

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중국과학기술대학교 마이크로전자대학 쑨하이딩(孫海定)/룽스빙(龍世兵) 연구팀은 사파이어 기판 바벨각을 이용한 양자우물 조절을 통해 3차원 캐리어 구속을 달성함으로써 자외선 발광 다이오드(LED)의 발광성을 향상시켰다. 해당 성과는 "Advanced Function Materials"에 게재됐다. 전통적인 자외선 광원은 일반적으로 수은증기 방전 여기상태를 이용해 자외선을 생성하기에 높은 전력소비 및 발열량, 짧은 수명, 느린 반응 등 결함이 있다. 신형 심자외선 광원은 LED 발광 원리를 이용했기에 전통적인 수은등에 비해 많은 장점을 보유하고 있다. AlGaN 심자외선 LED 등 와이드 밴드갭 반도체 재료는 작은 부피, 높은 효율, 장수명 등 장점을 보유하고 있기에 엄지손톱 크기의 칩으로 수은등 보다 더욱 강한 자외선을 방출할 수 있으며 AlGaN 중의 원소 성분 조절을 통해 다양한 파장의 발광을 정밀하게 구현할 수 있다. 하지만 자외선 LED의 고효율 발광은 어려운 바 내부양자 효과에 의해 결정된다. 연구팀은 사파이어 기판 바벨각 조절을 통해 자외선 LED의 내부양자 효과 및 소자 발광 출력을 대폭 향상시켰다. 기판 바벨각을 증가시킬 경우 자외선 LED 내부의 전위(Dislocation)는 뚜렷하게 억제되며 소자의 발광강도가 뚜렷하게 향상된다. 기판 바벨각이 4°에 도달할 경우 소자의 발광 스펙트럼 강도는 1개 수량급으로 향상됨과 아울러 내부양자 효과도 90% 이상에 도달한다. 해당 연구는 기판 바벨각 조절 및 에피택셜 성장 파라미터의 매칭 최적화에 의해 자외선 LED의 발광 특성을 블루광 LED 수준에 도달시켰다. 이는 고출력 심자외선 LED의 대규모 응용에 실험적 및 이론적 기반을 마련했다.

자율주행 콤바인 경작파종기 개발

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양저우(扬州)대학교 연구팀이 자체 개발한 자율주행 콤바인 경작파종기가 양저우(扬州)시 광링(广陵)구 사터우(沙头)진에서 현장 테스트에 통과했다. 연구팀은 거의 10년간 2,000여만 위안(한화 약 33억4500만원)을 투자하고 다분야 전문가와 협력하여 중대한 연구 성과를 달성함으로써 해당 분야의 핵심 기술을 파악하고 세계 선진 수준에 도달했다. 해당 성과는 중국 농업 기술의 현대화, 지능화, 고효율화 발전을 본격 추진할 전망이다. 지능화와 무인화 경작은 현대 농업의 발전 추세이다. 연구팀은 2008년부터 작물 재배, 농업 기계, 지능화 제어, 소프트웨어 정보 등 다분야의 전문가, 농업장비 제조업체 및 농업현장 기술자들과 공동 연구팀을 구성하여 지능화, 무인화, 중복식 경작파종의 선진 장비를 개발했다. 자율주행 경작파종기는 밭에서 자율적으로 유턴, 좌우회전, 후퇴 역주행한다. 한차례 회전경운 깊이는 약 22cm에 달하고 시비가 균일하며 파종 깊이와 파종 너비가 일치하다. 해당 지능화 고기술의 선진 농업 장비는 논벼 생산에 광범위하게 응용될 전망으로 기존 농업 생산의 낙후한 작업 방식을 바꾸고 중국 쌀과 밀 생산의 질적 도약을 가져다 줄 전망이다.

초인성 "인공 거미줄" 제조

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난카이(南開)대학교 약물화학생물학 국가중점실험실, 약학대학, 기능고분자 교육부중점실험실 류쭌펑(劉遵峰) 연구팀은 히드로겔 섬유로 신형 초인성(Super tough) "인공 거미줄"을 제조 했다. 해당 거미줄은 고강도, 느린 리바운드(Rebound), 중복 신축성 등 장점을 보유하고 있기에 향후 공중 낙하 지연 등 다양한 분야에 이용될 전망이다. 해당 성과는 "Nature Communications"에 게재됐다. 자연계의 거미줄은 강한 기계적 성질을 보유하고 있으며 고등급 합금강과 유사한 높은 인장강도를 나타낸다. 높은 습도 환경에서 거미줄은 5배로 인장될 수 있을 뿐만 아니라 인장된 후 거의 리바운드 되지 않고 회전하지 않는다. 또한 인장된 거미줄은 물을 만나면 초기 길이로 회복된다. 이로써 포획물의 충격에 의해 인장된 후 자동적으로 복구되어 재사용할 수 있다. 이는 거미줄이 매우 강한 기계적 성능을 보유하고 있음을 의미한다. 기존에 피브로인을 이용해 인공 거미줄을 제조해 일정한 성과를 거두었지만 해당 방법으로 규모화 생산을 달성할 수 없다. 따라서 합성 방법을 이용해 상기 특성을 모방한 거미줄 제조는 어려움으로 되고 있다. 연구팀은 반복적 시험을 통해 히드로겔 섬유를 이용하여 "인공 거미줄"을 제조하는 매우 간단한 방법을 개발했다. 히드로겔 섬유는 폴리아크릴산으로 제조한다. 폴리아크릴산은 핵-외곽 구조를 보유하고 있기에 2가 이온을 도핑함과 아울러 트위스팅(twisting)하여 일정한 꼬임성을 획득함으로써 "인공 거미줄"의 강도를 대폭 향상시킬 수 있다. 해당 신소재의 역학적 성능은 천연 거미줄과 거의 유사하다. 고층건축물에 화재 등 긴급상황이 발생할 경우 "인공 거미줄"로 제조한 밧줄로 공중 낙하 지연에 의한 자주적 구원을 달성할 수 있다. 해당 특수한 밧줄은 인체 체중에 견딜 수 있으며 또한 천천히 인장됨과 아울러 고무줄처럼 리바운드 되지 않는다. 이로써 인체 또는 물체의 하강 속도를 대폭 감소시켜 완화작용을 일으킬 수 있다.

2차원 고온초전도 메커니즘 규명

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중국과학기술대학교와 푸단대학교 공동 연구팀은 고온초전도 메커니즘 연구에서 새로운 성과를 이룩했다. 해당 성과는 "Nature"에 게재되었다. 초전도는 물리학에서 가장 매력적인 거시적 양자 현상이다. 현재 비정규적인 고온초전도 메커니즘은 완전히 밝혀지지 않았으며 고온초전도의 비밀은 많은 과학자들의 탐구 목표이다. 일반적인 연구방법은 가장 간결한 모델로 세계 기원의 법칙을 밝히는 것이다. 구리산화물 고온초전도체는 다양한 3차원 층상 결정구조를 가진다. 기존에 발견된 모든 구리기반 초전도체의 결정체 구조는 모두 동일한 구리-산소 구조단위를 가진다. 이러한 구리-산소 구조단위는 고온초전도성의 기원으로 간주되며 특히 고온초전도 메커니즘 연구에서 주로 구리-산소 표면 구조단위에 기반하여 2차원 이론 모델을 구축한다. 따라서, 실험실에서 구리-산소 구조단위 단일 층의 2차원 초전도체가 상응한 벌크 결정체와 동일한 초전도성과 정상상태 물리를 구비하는지 여부를 검증하는 것은 중요한 의미가 있다. 연구팀은 수년간의 탐색과 시험을 거쳐 단일 층의 비스무트2212 초전도체를 획득했고 실험을 통해 해당 단일 층의 구리 기반 초전도체가 상응한 벌크 구리 기반 초전도체와 완전히 동일한 초전도 전이온도, 캐리어 농도, 의존적 상평도 및 비정상적 정상 행위를 구비한다는 것을 발견했다. 해당 발견은 고온초전도체 2차원 이론적 모델을 위한 확실한 실험 기반을 마련하고 고온초전도체의 실험 연구를 위한 새 방향을 제시했다.

유기물 C-H 결합 정밀 전환이 현실화될 전망

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중국과학원 상하이유기화학연구소 류궈성(劉國生) 연구팀은 홍콩과기대학 린전양(林振陽) 연구팀과 공동으로 실험 및 이론적 계산을 통해 금속이 질소 자유기의 유기분자 내 수소 원자 선택적 전이를 조절하는 새 메커니즘을 규명함으로써 복잡계 올레핀 C-H 결합의 정밀 전환이 현실화될 전망이다. 해당 성과는 "Nature"에 온라인으로 게재되었다. 구조가 복잡한 유기약물의 특정 화학결합을 변화시키거나 또는 특정 작용기를 대체하여 약효가 완전 다른 산물을 획득할 수 있다. 유기분자 정밀 전환 구현에 있어 1) 유기분자 내 구조가 비슷한 C-H 결합으로부터의 지정 위치 정밀 수소 원자 탈취가 어렵고 2) 수소 원자 탈취 후 탄소 자유기를 어떻게 비대칭적으로 전환시켜 원하는 구조를 획득할지 등 2가지 핵심적 난제가 존재한다. 연구팀은 상기 2가지 문제를 해결하기 위해 2016년에 미국 과학자와 공동으로 최초로 구리 촉매 자유기 릴레이(Radical Relay)란 새 개념을 제안함과 아울러 고효율적이고도 고선택적으로 키랄성 니트릴화합물을 획득함으로써 간단한 석유화학제품을 약물분자 전구체로 직접 전환시키는데 성공했다. 천연약물 또는 합성물을 막론하고 그들 생물활성분자에 흔히 여러 개 올레핀 결합(olefinic bond)이 존재하는데 이는 자유기의 선택적 수소 원자 치환 문제를 야기한다. 이번 연구는 앞서 수행한 연구에 기반해 최초로 금속 구리 촉매제가 술폰아미드(sulfonamide)를 함유한 질소 자유기와 배위를 발생할 수 있고 이를 통해 질소 자유기의 수소 탈취 능력 및 선택성을 조절함으로써 복잡계 올레핀 분자의 정밀 전환을 구현했다. 해당 반응시스템은 복잡계 약물분자의 후기 정밀 수식에도 적용될 수 있어 신약 개발 및 약물분자 개조에 새 경로를 제공했다.

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.