기술동향
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중국 차세대 유인우주선시험선 테스트 완료

중국항천과기그룹(CASC) 제5연구원이 개발한 중국 차세대 유인우주선시험선의 테스트 작업이 최근 원창(文昌)위성발사센터에서 완료되어 4월 하순에 창정(长征) 5호 B탑재 로켓에 의해 발사될 예정이다. 중국우주정거장과 후속적인 유인 우주비행 임무를 위해 개발된 차세대 유인우주선시험선은 선저우(神舟) 우주선에 비해 크기가 더 크고 사람뿐만 아니라 화물도 운반할 수 있으며 재사용할 수 있다. 이번 시험선은 귀환 및 재진입(Return and Reentry Spacecraft) 제어, 단열 및 회수 등 일련의 기술을 검증함으로써 향후 우주비행사들의 중국 우주정거장 왕복수송을 위한 기술 기반을 마련할 예정이다. 차세대 유인우주선은 지구 저궤도와 우주 탐사 임무를 병행할 수 있다. 또한 새로운 내열 재료와 내열 구조를 사용하여 내열성이 선저우 비행선의 3~4배에 달한다. 귀환 및 재진입 제어에서도 착륙 지점의 정확도를 보장하고 과부하가 우주비행사의 인내 범위를 초과하지 않도록 보증할 수 있다. 이번 발사에서 보다 안전한 "엄브렐라 +에어백" 착륙 방법과 우주선 재사용 관련 기술을 검증할 예정이다. 차세대 유인우주선은 반환선의 10차 재사용을 목표로 하고 단계적으로 비용을 절감할 계획이다. 창정 5호 B탑재 로켓은 창정 5호를 기반으로 개선한 중국 최초의 1급반 구조(One and a half stage, 로켓부스터 구조) 대형 탑재 로켓으로 중국 유인우주정거장 선실과 같은 중요 우주 발사 임무를 수행한다. 이번 발사는 해당 로켓의 첫 비행이 될 것이다.

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.

최초로 달뒷면 지하 천부층 구조 규명

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중국과학원 국가천문대 연구팀은 창어(嫦娥) 4호의 월면차 위투(玉兔) 2호에 탑재된 달탐사 레이더를 사용해 최초로 달뒷면 착륙지역 지하 40m 이내의 지질분층구조를 규명함과 아울러 해당 구간은 저소모 달토양물질 및 대량의 다양한 크기의 돌덩어리로 구성되었음을 발견하였다. 해당 성과는 충돌과정이 달표면에 대한 개조, 화산활동 규모 및 역사 등을 밝히는데 중요한 의미가 있다. 해당 성과는 "Science Advances"에 온라인으로 게재되었다. 창어 4호 탐사선은 베이징시간으로 2019년 1월 3일 달뒷면에서 가장 오래되고 가장 큰 남극-아이트켄(South Pole–Aitken) 분지 내 폰카르만 충돌구 밑바닥에 성공적으로 착륙했고 달탐사 레이더는 2019년 1월 4일 오전 9시 29분 35초에 작동을 개시하였다. 이번에 거둔 연구 성과는 지난 두 번의 달의 낮 동안에 500MHz 고주파채널 레이더로 탐측한 데이터에 기반한 것이다. 연구팀은 앞서 획득한 물성 파라미터 및 레이더 영상에 근거해 106m 월면차 주행노선 지하 40m 범위에서 3개 비일차적 표층 층서단위를 식별해냈다. 첫 번째 층서단위는 달표면 지하 12m 구간의 세립질 달토양으로 소량 돌덩어리를 함유한다. 동 달토양층은 다수 서로 겹쳐진 충돌구 분출물질 위에 형성되었고 이러한 분출물질은 아마도 주변의 핀센(Finsen) 및 폰카르만 L충돌구 등에서 비롯되었을 것으로 추정된다. 두 번째 층서단위는 지하 12m에서 24m까지의 레이더 영상에서 에코 세기(Echo intensity)가 가장 강한 구간이다. 이는 해당 구간에 대량 돌덩어리가 존재함을 나타낸다. 심지어 쇄석층 및 쇄석무지를 형성하는데 이는 분출물질 퇴적이 전면적 뒤덮기식 뿐만 아니라 물질 간 전단, 혼합, 섭입 및 2차 충돌구 구조적 외란(structural disturbances) 등 복잡한 지질과정을 동반했음을 입증한다. 세 번째 층서단위는 지하 24m부터 40m까지 구간으로서 레이더 에코 명암이 교체적으로 변화하였다. 해당 구간은 시기별로 보다 유구한 분출물질의 퇴적 및 풍화산물로 형성되었다. 지하 40m 아래의 레이더 신호는 미약하여 고주파채널 레이더신호로 그 물질적 특성을 추정할 수 없었다. 해당 지역의 지질역사와 결합해 창어 4호 착륙점 인근 달표면 40m 아래는 완전한 달의 바다 현무암(lunar mare basalt)일 것으로 추정된다. 연구팀은 창어 4호 달탐사 레이더 직접적 제자리 측정을 통해 달뒷면 지하 천부층 관련 첫 번째 레이더영상, 달표면 아래 물질의 특성 파라미터, 분출물질 내부 층서 서열 등을 획득하였다. 해당 연구는 최초로 달뒷면 지하구조를 규명함으로써 달의 충돌 및 화산활동 역사에 대한 이해를 풍부히 하였고 또한 달뒷면의 지질학적 변화 연구에 새로운 시사점을 제공하였다.

은하계 밖 산소 최초 발견

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중국과학원 상하이천문대 왕쥔즈(王均智) 연구팀은 "마카리안 231(Mrk 231)" 은하 내부에 천체생명학 및 성간물질 변화에 필수적인 분자인 산소가 존재함을 발견하였다. 해당 성과는 "Astrophysics"에 게재되었다. 산소는 생명유지에 있어 매우 중요한 물질이다. 우주에서 산소의 존재비는 수소와 헬륨 다음으로 높다. 천문학계는 분자산소(molecular oxygen)가 항성 간 공간에 보편적으로 존재할 것으로 예측하고 있지만 현재로 은하계 밖에서 산소를 발견하지 못했다. 이번에 큰곰자리 성좌에 위치한 지구와 약 5.6억 광년 떨어져 있는 Mrk 231 퀘이사에서 발견된 산소는 지금까지 과학계가 탐지한 태양계 밖 최다량의 산소이자 은하계 밖에서 최초로 발견된 산소이다. 하지만 무엇 때문에 성간공간(interstellar space)의 산소 함량이 예상치에 훨씬 미치지 못하는지는 여전히 수수께끼이다. 연구팀은 스페인과 프랑스에 위치한 전파망원경으로 2.52밀리미터 파장의 복사를 발견하였는데 이는 산소 존재의 지표이다. 해당 복사가 산소에서 비롯되었음을 증명하기 위해 연구팀은 해당 검출 파장과 유사한 파장을 방출할 수 있는 다양한 분자를 연구하였다. 그 결과, 산소를 제외한 기타 어떤 분자도 우주에 나타난 적이 없음을 발견하였다. 해당 발견은 지금까지 과학계가 탐지한 태양계 밖 최다량의 산소이다. 기존에 천문학계는 은하계 내 오리온성운 및 뱀주인자리성운 내부에서만 산소를 관측한 적이 있다. 산소 형성이 가능한 오리온성운일지라도 그 내부 산소량은 수소량의 100만분의 1밖에 안 될 정도로 매우 적다. Mrk 231 내부에서도 수소가 주도적 지위를 차지하지만 산소 존재비는 오리온성운 내부 산소량의 100배에 달한다. Mrk 231의 산소는 은하원반(galactic disk) 주변부에 존재한다. 이로부터 학계는 Mrk 231이 오리온성운보다 더 강한 산소 형성과정을 겪었을 것으로 해석하고 있다. 대량 항성 생산공장인 Mrk 231에서 새항성 생성속도는 은하계의 100배에 이르며 매년 방출하는 기체 총질량은 700개 태양질량에 해당한다. 은하중심에서 유래한 고속회전 기체는 아마도 은하원반 내 기체와 충돌하여 물얼음을 먼지입자로부터 박리함으로써 산소를 형성한다. 반대로 산소 분자가 방출하는 복사는 기체 냉각을 도와 그 중 일부 기체를 더 쉽게 붕괴시킴과 아울러 은하 내에서 더 많은 새항성을 생성시키는 등 은하의 활력을 유지시킨다. 성간분자 특히 산소와 같은 천체생명학 및 성간물질 변화에 있어 매우 중요한 분자를 탐색하는 것은 전파천문학의 첨단과제이다. 반세기에 가까운 우주전파 분자탐색 역사에서 거둔 몇 차례 성공적인 관측은 모두 은하계 내에서 이루어졌다. 은하계 밖 외부 은하 내 산소에서 발송되는 신호는 일정 정도 적색편이(Red shift)를 간과하는 전제 하에 도플러효과로 인해 지구 대기를 관통할 수 있으며 따라서 지상 대형 망원경을 통한 탐지가 가능하다. 연구팀은 전파망원경으로 수신한 미약한 신호에 대한 분석을 통해 산소 존재비 증가를 일으킬 가능성이 있는 은하로 Mrk 231을 선정했고 비로소 성공적으로 산소를 탐지하기에 이르렀다. 해당 연구는 분자산소를 이용한 관측을 통한 은하핵부 격렬한 활동이 모은하(host galaxy)에 대한 피드백 연구에 새로운 길을 개척했다.

4개 신기술 시험위성 발사 성공

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2020년 2월 20일 05시 07분, 중국은 시창위성발사센터에서 창정 2호 정(長征二號丁) 운반로켓으로 "로켓 하나에 위성 4개" 방식으로 신기술 시험위성 C, D, E, F 위성을 성공적으로 발사해 예정궤도에 순조롭게 진입시켰다. 상기 위성은 주로 궤도상 지구관측 신기술 시험에 이용될 예정이다. 이번에 발사된 창정2호정 운반로켓 및 신기술 시험위성 C, D 위성은 상하이우주기술연구원이 개발하였고 E위성은 하얼빈공업대학교, F 위성은 항톈둥팡훙(航天東方紅)위성유한회사가 개발하였다. 이번 임무는 창정계열 운반로켓의 326번째 우주비행이다.

위성연료의 고효율적 이용기술 개발해 위성수명 연장에 일조

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중국항천과기그룹 제5연구원 502연구소가 자체적으로 개발한 위성연료 고효율적 이용기술이 궤도상 둥팡훙(東方紅) 5호 위성플랫폼에 활용되어 양호한 효과를 내고 있다. 위성수명에 영향을 미치는 주요소인 연료의 고효율적이고도 철저한 이용은 위성의 작동시간을 연장시킬 수 있다. 해당 위성연료 고효율적 이용기술은 차세대 판형 표면장력 저장탱크, 높은 정밀도의 우주 초음파 유량계, 높은 정밀도의 균형적 연료방출기술 등을 포함한다. 둥팡훙 5호 플랫폼 첫 위성에 활용된 상기 기술 중 차세대 판형 저장탱크는 연료에 대한 "완전관리"를 달성함으로써 연료 분출 효율을 99.85%로 향상시켜 현재 세계 최고 수준인 99.5%를 초과했다. 또한 세계 최초로 위성연료 유동량에 대한 궤도상 직접적 측정을 달성함과 아울러 연료 균형적 방출제어 정밀도를 0.5% 이상으로 끌어올렸다. 상기 기술은 위성연료의 고효율적 이용을 달성하는데 있어 핵심기술일 뿐만 아니라 범용기술로서 중국 우주선 성능 향상에 중요한 의미를 지닌다. 미세중력 환경의 우주에서 위성 저장탱크 내 연료 및 연료압출용 가압기체는 혼합 부유상태에 처하게 된다. 저장탱크 내 강부식 연료에 대한 정밀 위치결정, 효과적 분리, 정밀 측정 등은 매우 어렵다. 중국은 대용량 저장탱크 완전관리 기술을 미처 파악하지 못한 상황에서 저장탱크를 상단과 하단으로 분할하여 설계하였는데 미세중력 환경에서 저장탱크 하단 연료밖에 관리할 수 없고 따라서 제어불능 연료는 시종 저장탱크 상단에 부유상태로 존재하기에 이용이 불가능하다. 뿐만 아니라 연료 잔여량도 직접적이 아닌 간접적인 방법으로 측정할 수밖에 없어 위성수명 평가에도 비교적 큰 오차를 가져다준다. 연구팀은 십여 년의 노력 끝에 판형 표면장력 저장탱크를 혁신적으로 설계해 부유상태 기-액 효과적 분리 및 수송을 구현하였고 또한 연료 제어능력을 "반관리"에서 "완전관리"로 끌어올림으로써 한 방울 연료까지 고효율적으로 이용하기 위한 목표에 한 발짝 다가섰다. 연료사용 상황을 실시간으로 파악하기 위해 연구팀은 강부식성 및 유동량 측정이 어려운 문제를 감안한 위성용 유량계를 개발하였다. 동 유량계는 초음파의 탱크벽 투과를 이용해 연료 사용량을 비접촉적으로 측정한다. 다시 말해 초음파 발사/반사 시간차로 연료의 유동속도를 측정하는데 그 시간차 정밀도는 빛이 0.3m 거리를 통과하는데 소요되는 시간에 해당하는 10억분의 1초에 달한다. 이를 기반으로 개발된 균형적 방출 기술은 2개 저장탱크 연료방출량에 대한 실시간 정밀제어가 가능하며 그 정밀도는 0.5% 이상이다. 이는 세계 최고의 수준으로서 위성안전 더 한층 보장, 위성수명 연장에 일조할 수 있다.

코로나19 백신 개발에서 단계적 성과 거둬

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2020년 3월 3일, 중국중앙텔레비전방송국 뉴스프로그램 "신원롄보(新聞聯播)"는 군사의학연구원 천웨이(陳薇) 연구팀이 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 백신 개발에서 단계적 성과를 거뒀다고 보도하였다. 천웨이는 사스(SARS·중증급성호흡기증후군), 에볼라 등과의 싸움에서 중요한 기여를 한 여성과학자이다. 그는 2015년 7월에 소장계급장을 달았고 2019년 11월에 중국공정원 원사로 선출되었다. 현재 군사과학원 군사의학연구원 연구원직을 맡고 있는 그는 이번 코로나19 백신 개발 레이스에서 우승을 다투는 "유력선수"로 주목받는다. 올해 54세인 천웨이 소장은 2020년 1월 26일 전문가팀을 이끌고 우한에 진입하였다. 이틀 후인 2020년 1월 28일 군사의학연구원이 지방의 관련 회사와 공동으로 개발한 코로나19 핵산검사 시약키트(RT-PCR 형광탐침법)가 국가약품감독관리국의 긴급승인을 받고 의료기기 등록증서를 발급받았다. 그리고 나흘 후인 2020년 1월 30일 긴급운영에 돌입한 군사과학원 텐트식 이동검사실험실에서 자체적으로 개발한 검사시약키트와 핵산 완전자동 추출기술을 결합하여 핵산검사 시간을 대폭 단축함으로써 확진 속도를 높였다. 2020년 1월 말 "중국과학보"와의 특별인터뷰에서 천웨이 소장은 최대 관심사인 코로나19 백신 개발과 관련해 전세계 과학자 모두 백신 개발에 박차를 가하고 있다고 밝혔다. 백신 개발은 고유의 주기와 규칙이 있는데 반해 현재 신종 바이러스에 대한 생물학적 특성, 발병 메커니즘, 전파 메커니즘, 민감계층(susceptible population) 등에 대한 이해는 아직도 매우 미흡하다. 천웨이 소장은 일부에서 전해지는 가장 빠르게는 "1개월" 내에 백신을 획득할 수 있다는 보도와 관련해 그런 날이 빨리 오기를 희망하였다. 2020년 1월 28일 미국 트럼프 대통령이 미국과학자가 12주 내에 코로나19 백신을 개발해낼 것이란 발표에 대해서는 중국 연구진이 미국에 뒤지지 않을 것이라며 신심을 드러냈다. 신종 코로나바이러스가 아무리 빨리 변이하더라도 코로나바이러스 대분류를 벗어나지 못한다. 현재 빠른 진전을 보이는 빅데이터 연구에 힘입어 바이러스가 일단 변이하기만 하면 생물정보학 또는 빅데이터 발굴을 통해 공동의 표적항원, 발병 메커니즘 또는 수용체를 발견할 수 있어 백신 개량에 신속한 가이드를 제공할 수 있다.

대뇌 작업기억 중 정보저장 관련 신경메커니즘 규명

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2020년 3월 5일, 중국과학원 뇌과학·지능기술탁월혁신센터(신경과학연구소)/상하이뇌과학·유사뇌연구센터/신경과학국가중점실험실 리청위(李澄宇) 연구팀의 논문이 "무과립 섬피질 즉시성 뉴런활동이 새 임무 학습시의 작업기억 저장을 조절"이란 제목으로 "Neuron"에 온라인으로 게재되었다. 작업기억이란 대뇌가 초 단위 규모 내에서 정보를 저장 및 조종하는 일종의 기본적 인지기능으로서 인간의 일상생활의 기본적인 수요일 뿐더러 인간 고유의 수많은 고급 인지기능의 기초이다. 그 예로 읽기, 사고, 언어학습 등을 들 수 있다. 약 반세기에 거친 연구를 통해 과학계는 대뇌가 작업기억 중 어떻게 정보를 저장하는지와 관련해 1)지속성 코딩과 2)즉시성 코딩 등 2가지 가능한 신경메커니즘이 존재한다고 제시하였다. 전자는 대뇌가 소량 뉴런의 지속성 방전만으로도 정보를 저장할 수 있다고 주장하는 반면 후자는 대뇌가 대량 뉴런의 즉시성 방전(단일 세포수준에서)을 통해 정보를 저장한다는데 무게를 두고 있다. 기존의 전기생리학적 기록에 기반한 상관성 연구에서 상기 2가지 정보 코딩 방식 모두 그 역할을 발휘하는 것으로 나타났지만 그동안 실험기술 조건의 제한으로 아직까지 해당 2가지 정보 코딩 방식과 작업기억 행동조절의 대응관계를 직접적으로 비교한 연구보고는 없다. 이를 감안해 연구팀은 행동학, 광유전학, 전기생리학 등 수단을 종합적으로 응용해 심층연구를 수행하였다. 연구팀은 머리부를 고정시킨 생쥐를 이용해 후각자극 기반의 작업기억 행동패러다임 및 고효율 안정적 행동훈련시스템을 성공적으로 개발하였다. 아울러 반증법을 통해 다음과 같은 타당성 있는 실험방안을 고안해냈다. 즉, 생쥐 행동수준에 대한 하향조절 또는 상향조절을 통해 즉시성 및 지속성 뉴런이 어떤 변화를 발생하는지를 모니터링한다. 연구팀은 광유전학적 수단을 통한 무과립 섬피질(agranular insular cortex, aAIC)의 유도기(lag phase) 전기활동 억제가 생쥐 학습기 작업기억 임무수행의 행동표현 수준을 뚜렷이 하향조절할 수 있음을 발견하였다. 3그룹 대조실험과 결합해 연구팀은 aAIC 뇌영역은 감각정보, 동기수준(motivation level), 운동제어 등을 코딩하는 것이 아닌 작업기억의 단기적 정보저장 과정에 주로 관여함을 입증하였다. 심층적 연구를 통해 내측 전전두피질(medial prefrontal cortex, mPFC)부터 aAIC까지 투사 억제도 생쥐의 행동표현 수준을 효과적으로 하향조절할 수 있고, 즉시성 뉴런 비율도 효과적으로 하향조절할 수 있음을 발견하였다. 하지만 지속성 뉴런 비율이 이와 일치한 변화를 발생하는 것은 발견하지 못했다. 반대로 mPFC부터 aAIC까지 투사 활성화는 행동 수준을 뚜렷하게 상향조절할 수 있고, 즉시성 뉴런 비율도 뚜렷하게 상향조절할 수 있었다. 상기 결과는 즉시성 뉴런(지속성 뉴런이 아님)이 생쥐 작업기억 수행의 행동표현 수준과 더 밀접하게 연관됨을 시사한다. 즉, 즉시성 코딩 신경메커니즘이 작업기억 중 정보저장을 관장할 가능성이 더 크다. 상기 결론을 더한층 검증하기 위해 연구팀은 두 번째 실험을 설계하였다. 해당 실험의 논리적 기반은, 작업기억 과정 중에 다양한 교란성 자극을 인위적으로 추가하는 한편 즉시성 및 지속성 뉴런과 생쥐 외부 교란성 자극 저항능력의 연관성을 모니터링함으로써 작업기억에서 어느 유형의 뉴런집단이 정보저장을 관장하는지를 추정하려는데 있다. 실험 결과, 생쥐가 비교적 약한 교란을 성공적으로 저항할 경우 즉시성 뉴런 비율은 뚜렷하게 증가하였다. 반대로 복잡한 교란성 자극을 효과적으로 저항하지 못할 경우 즉시성 뉴런 비율에도 상응한 상승이 발생하지 않았다. 2그룹 실험에서 지속성 뉴런 비율 모두 유의적 변화를 발생하지 않았다. 해당 결과는 즉시성 뉴런이 외부 교란성 자극 저항에 이용될 수 있어 대뇌의 임무 관련 정보 정확적 저장을 보장함으로써 임무를 성공적으로 수행함을 시사한다. 연구팀은 상기 2그룹 실험을 결합해 즉시성 뉴런(지속성 뉴런이 아님)이 작업기억 과정 중 정보저장을 관장하는 핵심 성분임을 유력하게 논증하였다. 다시 말해 기존의 실험 조건 하에서 대뇌는 즉시성 코딩 신경메커니즘을 통해 작업기억 과정에서 정보를 저장한다는데 무게를 두고 있다.

덴드로븀 새로운 종 "징화" 석곡 발견

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중국임업과학연구원 임업연구소 화훼육종재배 연구팀은 덴드로븀(Dendrobium, 일명 석곡란) 생식질 자원 수집 과정에서 기존 덴드로븀과 뚜렷이 구별되는 새로운 종을 발견하였다. 연구팀의 정바오챵(郑宝强), 왕옌(王雁)은 중국의 저명한 임업학자인 펑전화(彭镇华) 교수(1931—2014)를 기념하기 위해 해당 새로운 종을 "징화(景华)"(Dendrobium jinghuanum B.Q. Zheng & Y. Wang”)라고 명명했다. "징(景)"은 펑 교수의 교향인 "징더전(景德镇)"에서 따고, "화(华)"는 펑 교수의 이름에서 땄다. 펑전화 교수는 일생을 임업생태학, 도시 임업 및 대나무 유전 생물학 연구에 전념하고 많은 공헌을 하였다. 해당 발견은 "징화 석곡-형태와 분자를 증거로 새로운 종 입증"이라는 제목으로 "Phytotaxa"에 게재되었다. 징화 석곡을 형태가 비슷한 기존 여러 종의 석곡과 비교한 결과, 형태학적으로 징화 석곡은 새로운 종에 속하며 분자계통학적으로 징화 석곡은 Den. bensoniae와 혈연관계가 가깝고, 기존 여러 종의 석곡과는 혈연관계가 비교적 멀다. 석곡은 주로 아시아의 열대, 아열대 지역과 대양주에 분포하는데 원종이 1,500여 종에 달한다. 중국에 80여 종이 분포하고 있는데 주로 북위 30도 이남 지역에 분포하고 북위 30도부터 35도 사이에도 소량 분포하였으며 친링(秦岭) 산맥, 화이허(淮河)강 남쪽 지역에서 흔히 볼 수 있다. 석고는 정력을 보강하고 위를 튼튼하게 하며, 열을 내리고 체액 분비를 촉진하며, 폐를 윤활하게 하고 기침을 멎게 하며, 눈을 맑게 하고 몸을 튼튼하게 하는 효능이 있어 전통적인 진귀한 약재이다. 또한, 높은 관상 가치가 있으며 봄 석고(Dendrboium)와 가을 석곡(Nobile Dendrobium) 두 가지 관상류로 분류된다.

새로운 항노화 표적 유전자 발견

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중국과학원 뇌과학·지능기술탁월혁신센터/상하이뇌과학·뇌모방연구센터/신경과학국가중점실험실 차이스칭(蔡時青) 연구팀은 중국과학원 상하이파스퇴르연구소 장루빈(江陸斌) 연구팀과 공동으로 신경계 및 유전자적 관점에서 노화 원리를 규명함과 아울러 새로운 BAZ2B 표적 유전자를 발견함으로써 대뇌 노화 지연 연구에 새로운 이론적 근거를 제공했다. 해당 성과는 "2개 보수적 후성유전학적 조절인자의 건강 노화 방해"라는 제목으로 "Nature"에 게재됐다. 노화는 생물체가 시간이 흐름에 따라 각종 생리기능이 점차적으로 퇴화되어 최종적으로 사망을 유발하는 생리과정으로서 알츠하이머병, 암, 당뇨병 등 만성질환을 초래하는 최대 위험요인이다. 기존에 수명을 연장시킬 수 있는 유전자가 수백 개 발견됐다. 차이스칭 연구팀은 선행연구에서 장수 유전자가 노화 과정에서 동물의 행위 퇴화를 필연적으로 지연시키는 것은 아니며 신경전달물질을 증가시킬 경우 늙은 동물의 행위 능력을 개선시킬 수 있음을 발견했다. 이를 기반으로 차이스칭 연구팀은 장루빈 연구팀과 공동으로 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans), 생쥐 등 2종 모델동물 및 인간 대뇌 유전자 발현 데이터베이스를 결합해 항노화 표적 유전자를 찾으려고 시도했다. 결과, BAZ-2와 SET-6 등 2개의 후성유전학적 조절인자는 노화 조절 네트워크의 핵심 노드에 위치하며 또한 주로 신경계에서 발현됨을 발견했다. BAZ-2와 SET-6의 상동성 유전자는 각각 BAZ2B와 EHMT1이다. 연구팀은 인간 대뇌에서 BAZ2B와 EHMT1의 발현량은 노화에 따라 점차 증가되며 알츠하이머병 병세 악화와 정적 상관관계(Positive correlation)임을 발견했다. 이외, BAZ2B의 기능 감소는 늙은 생쥐의 인지기능을 향상시킬 수 있다. "세포의 에너지 공장"인 미토콘드리아의 기능 감소는 조직기능 퇴화의 주요 원인이다. 심층적인 연구 결과, BAZ-2/BAZ2B와 SET-6/EHMT1 기능 감소는 선충 또는 생쥐 대뇌의 미토콘드리아 기능을 향상시키며 더 나아가 늙은 선충/생쥐가 비교적 높은 행위 능력을 유지하게 한다. 알츠하이머병 환자의 대뇌 중 BAZ2B와 EHMT1의 발현량과 미토콘드리아 내의 핵심 단백질 발현량은 뚜렷한 부적 상관관계(Negative correlation)인데 이는 BAZ2B와 EHMT1가 대뇌에서 미토콘드리아 기능을 조절할 수 있음을 제시한다. 상기 연구는 선충, 생쥐 및 인간 대뇌 데이터베이스의 기존 결과를 참조했다. 인간과 생쥐 등 모델생물은 비교적 큰 종 차이가 있기에 해당 연구의 인체에서 응용은 매우 큰 불확정성이 존재한다.

한 방울의 물로 100개의 LED등을 밝힐 수 있는 신형 액적식 발전기 개발

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홍콩시립대학교 연구팀은 신형 액적식 발전기를 개발했다. 해당 액적 발전기는 트랜지스터와 유사한 구조를 설치하여 순간 출력 밀도를 기존의 유사 액적 발전기보다 수천 배 증가시키고 전기에너지 변환 효율을 대폭 향상시켰다. 해당 성과는 "Nature"에 게재되었다. 전통 액적 발전기는 액적이 표면을 충격할 때 생기는 마찰과 정전감응을 통해 전력을 생성하지만, 표면 마찰 전하 수량의 제한으로 전기에너지 변환 효율이 비교적 낮다. 연구팀은 두 가지 핵심적인 발견을 통해 상술한 문제점을 극복했다. 1, 물방울이 장기적으로 전하를 띤 일렉트렛 재료 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 지속적으로 충격할 경우, 생성되는 표면 정전하는 포화 수준까지 지속적으로 누적된다. 2, 유사 필드 효과 트랜지스터의 독특한 구조를 개발하였다. 해당 구조는 하나의 알루미늄 전극과 하나의 표면에 PTFE 막박층을 증착한 ITO(Indium Tin Oxide) 전극으로 구성된다. 물방울이 PTFE/ITO를 충격하고 표면에서 산개할 경우, 전도성을 가진 물은 알류미늄 전극과 PTFE/ITO 전극 사이의 통로를 "연결"시켜 통전할 수 있는 완전한 회로를 형성한다. 해당 설계에 기반하여 연속적인 물방울은 PTFE상에 고밀도 표면 정전하를 축적시킨다. 아울러, 물방울이 두 전극을 연결할 때마다 PTFE에 축적된 모든 전하는 전부 방출되어 전류를 생성한다. 따라서, 순간 출력 밀도와 전기에너지 변환 효율은 모두 대폭 상승한다. 연구 결과, 한 방울의 100µl 물이 15cm 높이에서 떨어질 때, 140볼트 이상의 전압을 생성할 수 있으며 발전기가 생성하는 전기에너지는 100개의 작은 LED 등을 밝힐 수 있다. 해당 성과는 향후 선박 선체, 해안선, 심지어 우산 표면과 같은 다양한 액체와 고체 접촉 표면에 보급 장착되어 저주파의 물 역학적 에너지를 충분히 이용할 전망이다.

서북공업대학교가 거둔 2가지 중요한 성과 “Nature”자매지에 게재

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최근, 서북(西北)공업대학교 플렉시블전자연구원, 플렉시블전자재료와소자·정보화부중점실험실 황웨이(黃維) 원사 연구팀이 거둔 2가지 성과가 “Nature” 자매지에 게재됐다. 1) 황웨이 원사, 천융화(陳永華) 교수 연구팀은 지린(吉林)대학교 집적광전자국가중점실험실&재료과학·공학대학 장리쥔(張立軍) 교수와 공동으로 층상 페로브스카이트 태양전지 연구에서 획기적 성과를 거두었다. 관련 연구성과는 “Nature Photonics”에 게재됐다. 2) 황웨이 원사 연구팀은 Imperial College London, King Abdullah University of Science & Technology(KAUST)의 Thomas Anthopoulos 교수와 공동으로 유기-금속 산화물 박막 트랜지스터 연구에서 중요한 성과를 거두었다. 동 연구성과는 “Nature Electronics”에 게재됐다. 첫번째 성과는 태양전지 재료 개선이다. 페로브스카이트 재료는 직접 갭(Direct-gap), 양극성 전송, 높은 흡광계수, 낮은 엑시톤 결합에너지, 긴 캐리어(Carrier) 확산 거리 및 가용성 액체 가공 등 특성을 보유한다. 하지만 페로브스카이트 재료는 광조사, 전기장, 온도, 수중 산소 등 조건에서 매우 쉽게 분해되기에 페로브스카이트 태양전지의 상업화를 심각하게 제한한다. 전통적인 3차원 할로겐화물 페로브스카이트 태양전지재료와 비교하여 2차원 Ruddlesden-Popper(2DRP) 층상 페로브스카이트는 양호한 광안정성 및 열안전성을 보유하지만 구조 안전성 제한으로 그 박막 품질 및 광생성 캐리어의 분리/전송 특성이 상대적으로 부족하다.

수소연료전지 드론의 331분간 논스톱 비행 세계기록 경신

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베이징신옌촹넝(新研創能)과기유한회사와 서우항궈이(首航國翼)가 공동으로 개발한 헥사로터 수소연료전지 드론이 331분간의 논스톱 비행을 달성해 HYDrone-1800 멀티로터 드론이 2016년에 세운 270분간 논스톱 비행 세계기록을 경신하였다. 해당 드론은 2kW 금속판 공랭식 스택(Stack) 및 19L/35MPa 경량 고압 수소저장용기를 탑재하고 2019년 12월 8일 오전 9시 23분에 우한에서 이륙하여 오후 2시 54분에 착륙함으로써 331분간 지속적 실외비행 신기록을 세웠다. 뿐만 아니라 쓰촨 간쯔짱족자치주에서 수행한 고원환경 장기체공 시험비행에 성공함으로써 강풍, 저온, 저산소 조건에서 신옌촹넝 수소연료전지 작동의 안정성을 입증하였다. 신옌촹넝은 2018년에 "수소연료전지 멀티로터 드론 산업화" 프로젝트를 가동하여 1년 동안 노력 끝에 출력밀도가 높고 무게가 가벼우며 부피가 작고 성능이 양호한 2kW급 금속판 연료전지 공랭식 스택 및 관련 시스템을 개발함과 아울러 드론과의 통합에 성공하였다. 수소연료전지 드론은 리튬전지 드론에 비해 항속능력이 우수하고 진동/오염이 없는 등 고유 장점을 보유하기에 응용전망이 밝다. 예를 들어 군집비행시 장기체공 통신중계드론은 드론 편대가 더 멀리 날아갈 수 있게 보장하기에 지금까지 불가능했던 복잡한 임무 수행이 가능해진다. 분리판(bipolar plate)은 수소연료전지 스택의 핵심부품이다. 현재 메인노선은 흑연전극판과 금속전극판으로 나누는데 후자는 대규모 생산이 쉬우며 해당 연료전지 스택 또한 가볍고 부피가 작으며 내진성능이 양호하고 저온에서의 무보조 시동이 가능하며 출력밀도가 높은 등 장점을 보유한다. 2017년에 설립된 신옌촹넝은 금속전극판 개발에 주력하고 있다. 동 회사는 0.1mm 금속판재 울트라딥 유로 가공·제조 공법 및 기술을 개발해 수소연료전지 스택에 응용하였는데 관련 성능은 세계 일류 수준에 도달하였다. 해당 스택을 탑재한 드론은 고효율과 안정성을 모두 달성할 수 있다. 이외 자동차용 수랭식 40kW 스택을 양산하였는데 부피출력밀도(Volumetric Power Density) 최대치는 2.9kW/L에 도달해 세계 앞자리를 차지하였다. 동 회사는 이에 멈추지 않고 80kW 스택도 개발 중에 있다.

세계 첫 규모화 태양연료 합성 시범 프로젝트 시운전 성공

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2020년 1월 17일, 중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소가 개발한 세계 첫 1,000t급 규모화 태양연료(Solar fuel) 합성 시범 프로젝트가 간쑤(甘肅)란저우신구(蘭州新區)친환경화공단지에서 시운전에 성공함으로써 태양에너지 등 재생가능에너지를 액체연료로 전환시키는 산업화 생산의 첫걸음을 내디디었다. 태양연료 합성은 태양에너지, 풍력에너지, 수력에너지 등 재생가능에너지를 이용하여 전기를 생산한 다음 물전기분해에 의한 수소 제조, 이산화탄소 수소화에 의한 메탄올 전환 등을 통해 액체연료를 제조하여 재생가능에너지를 액체연료에 저장하는 과정을 의미한다. 간단히 말하면 태양에너지 등 재생가능에너지, 이산화탄소 및 물을 이용하여 청정 재생가능에너지인 메탄올 등 액체연료를 생산하는 과정을 의미한다. 이는 간헐적이고 분산된 태양에너지를 재생가능에너지로 수집하여 저장하는 에너지저장 기술이다. 동 프로젝트는 태양광발전, 물전기분해에 의한 수소 제조, 이산화탄소 수소화에 의한 메탄올 합성 등 3개 기본 단계로 구성된다. 전통적인 석탄, 천연가스로 메탄올을 제조하는 방법과 달리 동 프로젝트는 이산화탄소를 탄소 자원으로 이용해 이산화탄소 배출량 감소를 달성함과 아울러 태양연료 메탄올을 친환경적으로 생산함으로써 탄소 무배출을 구현했다. 동 프로젝트는 다롄화학물리연구소 리찬(李燦) 연구팀이 개발한 전기촉매 물분해에 의한 수소 제조 기술 및 촉매를 이용한 이산화탄소 수소화 메탄올 제조 기술을 기반으로 했다. 알칼리성 물전기분해에 의한 수소 제조 기술 분야에서 리찬 연구팀은 중국 자체 지식재산권을 보유한 신형 물전기분해 수소 제조 촉매를 개발함과 아울러 쑤저우(蘇州)징리(競立)수소제조설비유한회사와 공동으로 규모화(1,000표준입방미터/시간) 물전기분해 수소 제조 설비를 개발하여 물전기분해에 의한 수소 제조 원가를 대폭 절감시켰다. 이는 현재 세계에서 규모화 알칼리성 물전기분해에 의한 수소 제조 최고 효율이다. 이산화탄소 수소화 메탄올 제조 기술 분야에서 리찬 연구팀은 자체로 개발한 고용체(Solid solution) 바이메탈 산화물 촉매를 이용하여 이산화탄소의 고선택성, 고안정성 수소화 메탄올 합성을 달성했다. 동 프로젝트는 중국 에너지 안전 문제 완화, 더 나아가 글로벌 생태문명 건설에 중대한 의미가 있다. 이는 중국 서부지역의 풍부한 태양에너지 등 재생가능에너지 최적화 이용 방법을 탐색하여 태양에너지 등 재생가능에너지를 액체연료 메탄올로 전환시키는데 특고압 전기 사용을 제외한 효과적인 방법을 제공했다. 또한 태양연료 메탄올은 수소 담체(Carrier)로서 수소에너지 저장 및 수송의 안전 문제 해결에 도움이 된다.

생체모방 로봇 물고기 50M 수영 세계 신기록 달성

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남방과학기술대학교 공학대학 기계에너지원공학학부 왕정(王峥) 연구팀과 홍콩대학교 연구팀이 공동으로 개발한 생체모방 로봇 물고기 VAYU Fish("VAYU"로 약칭)가 26.79초의 성적으로 "로봇 물고기 50M 수영"의 세계 기록을 경신함과 아울러 "기네스 세계 기록" 인증을 획득했다. 생체모방 로봇 연구는 연성 재료, 구조 설계, 바이오닉 공학, 마이크로 전자, 제어 및 컴퓨터과학 등 다양한 분야의 기술과 관련된다. 수중 연구 분야에서, 생체모방 로봇 물고기는 전통적인 프로펠러를 이용한 추진 방식이 아닌 생체모방 꼬리 흔들기를 이용하였고 소음이 작고 에너지 소모가 적으며 환경을 오염시키지 않기에 수중 모니터링, 수중 안전 및 생물 과학 연구 등 분야에서 중요한 가치가 있다. 연구팀은 선전 룽강(深圳龙岗)에 위치한 홍콩중문대학교 선전캠퍼스 수영장에서 기네스 세계 기록에 도전했다. 2명의 계시원 및 3명의 증인과 함께 수중에 3대의 고정 카메라를 설치했다. 최종, VAYU는 26.79초의 성적으로 50m 결승선에 도달하여 세계 신기록을 세웠다. VAYU는 여자 50m 평영 세계 기록(29.40초)과 여자 50m 배영 세계 기록(26.98초)을 초과하였고 남자 50m 평영 세계 기록(25.95초)보다 불과 0.84초 늦었다. 기존의 실험실 조건에서 다양한 기술 방법을 이용한 순간적 제어 가능 조건에서 로봇 물고기의 고속 수영을 달성했지만 오픈된 수역의 자연 조건에서 로봇 물고기의 수영 속도는 여전히 자연 어류보다 훨씬 낮다. VAYU 로봇 물고기 프로젝트는 세계 최고의 고속 수영 생체모방 로봇 물고기 개발을 목표로 한다. 연구팀은 지난 5년간 여러 차례의 설계를 거쳐 평균 1.87m/s의 롱풀 수영 속도를 달성했다. 향후, 연구팀은 계속하여 미지에 도전하고 설계 및 제어를 최적화하여 생체모방 로봇 물고기의 속도를 지속적으로 업그레이드시키고 해당 기술 분야에서 해당 기술의 적용을 촉진할 예정이다.

괴성 비정질상태 재료에서의 가공경화 최초 구현

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중국과학원 금속연구소 선양재료과학국가연구센터는 영국 케임브리지대학교 재료학부 연구팀과 공동으로 최초로 괴성 비정질상태(amorphous state) 재료에서의 가공경화(work hardening)를 구현하였다. 해당 성과는 "Nature"에 게재되었다. 소성변형(plastic deformation)에 따른 금속재료의 강도(intensity) 상승 거동을 일컫는 가공경화 또는 변형경화(Strain hardening)는 재료가 균일 소성변형 상황에서 추가 변형에 저항하는 능력을 반영한다. 가공경화는 공학재료 역학적 거동 중 가장 주요한 현상이며 또한 구조재로서의 금속이 광범위하게 응용될 수 있는 중요한 근거이다. 비정질합금(일명 금속유리)은 다수 우수한 기계적 성능(높은 항복응력/인성 및 기록적인 "손상허용도")을 보유하는 외에 변형연화(strain softening)란 치명적 약점도 보유한다. 비정질합금의 변형은 기존의 결정질 재료와 달리 고도로 국지화된 변형으로서 전단대(shear zone) 주도의 비균일 변형으로 표현된다. 이는 실온취성(room temperature brittleness)을 직접적으로 초래하는데 이 또한 비정질합금의 병목문제이다. 괴성 비정질합금에서의 가공경화 거동 구현은 비정질합금 나아가 모든 무정형 재료 분야의 핵심 과학문제이다. 연구팀은 괴성 비정질합금의 가공경화가 재료 결함의 소멸·감소, 다시 말해 고에너지 상태에서 저에너지 상태로 전환되는 과정을 동반함을 발견하였다. 이는 결정질 재료에서 나타나는 기존 가공경화 과정과 완전히 상반되는 것으로 비정질합금이 완전 다른 가공경화 메커니즘을 보유함을 설명한다. 해당 연구는 비정질상태 재료의 변형연화 거동에 대한 기존의 인식을 바꿈으로써 균일 소성변형력을 보유한 비정질합금 개발 및 공업응용을 위해 새로운 길을 개척하였다.

집누에에 나노은 섭취시켜 신형 항균견사 획득

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톈진대학교 장레이(張雷) 연구팀은 천연견사에 양호한 항균성능을 부여할 수 있는 신형 견사(silk yarn)를 개발해 생의학 분야에 중요 응용가치를 제공할 전망이다. 해당 성과는 "ACS Sustainable Chemistry & Engineering"에 게재되었다. 견사 발상지인 중국의 양잠업은 세계문명에 큰 기여를 하였다. 최근 견사는 양호한 생체적합성 및 생분해성 등 장점으로 인해 조직공학, 상처 드레싱제, 약물 서방, 수술 봉합 등 영역에서 중요한 역할을 발휘하고 있다. 현재 과학계는 견사의 역학성능, 항균성능, 항황변(anti-yellowing)성능 등을 향상시켜 그 응용가치를 더한층 높이고자 다양한 방식을 통해 천연견사로부터 "개질 견사" 획득에 진력하고 있다. 나노은(Nano Silver)은 항균성이 강하고 안전성이 높으며 약물내성이 쉽게 발생하지 않는 등 장점을 보유하기에 항균 직물·기기 등 다양한 항균재료에 광범위하게 응용되고 있다. 연구팀은 다양한 입경(particle diameter)의 나노은 입자를 집누에에 섭취시킨 후 집누에 기관별 나노은 입자의 분포 및 축적 상황을 연구하였다. 실험 결과, 집누에에 가장 쉽게 섭취 및 수송될 수 있는 은입자의 입경은 50nm로 장흡수 및 림프순환을 통해 집누에 체내에 섭취되는 량도 가장 많았으며 견사샘과 견사에서 그 함량이 가장 높게 나타났다. 특히 주목할 점은 이러한 나노은 섭취를 통한 개질 방법으로 획득한 "신형 견사"는 황색포도상구균, 대장균 등 다양한 병원균을 효과적으로 사멸할 수 있을 뿐더러 열안정성도 다소 향상되는 등 양호한 성능을 보유하였다. 해당 연구는 간단한 개질방법을 통해 천연견사에 새로운 특성 및 기능을 부여함으로써 그 응용가치를 높였다. 또한 나노재료를 통한 다기능 실크단백질재료 획득에 새로운 아이디어를 제공하였다. 향후 생명 의료 분야에서 동 항균견사의 밝은 미래가 예상된다.

고강도 금속을 획득하는 새 방법 개발

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베이징고압과학연구센터 천빈(陳斌)은 충칭(重慶)대학교 황샤오쉬(黃曉旭) 연구팀과 공동으로 고압(High pressure) 조건에서 나노 니켈의 강도가 지속적으로 증가되는 현상을 발견함과 아울러 3nm 니켈의 고압 조건에서의 강도가 일반 상업용 니켈 강도의 10배 이상에 도달함을 발견했다. 동 연구는 고강도 금속을 획득하는 새 방법을 제공했다. 해당 성과는 "Nature"에 게재됐다. 일반적인 상황에서 결정립 크기가 작을 수록 그 강도는 더욱 높다. 하지만 계산 결과에 의하면 결정립 미세화 정도가 약 15~10nm 이하에 달할 경우 나노 금속의 강도는 증가되지 않고 오히려 감소되는 연화 현상이 나타난다. 전통적인 실험 방법으로 미세(15nm이하)한 재료의 강도를 측정할 수 없기에 15nm 보다 작은 결정립 금속의 경우 연화 또는 강화되는 지를 확정하기 어렵다. 연구팀은 최초로 광물 연구에 이용되는 지구과학적 기술을 나노 재료의 압축 변형 연구에 도입했다. 연구팀은 200~3nm(모두 8가지 결정립 크기)의 금속 니켈에 대하여 고압 조건에서 변형 비교 연구를 수행한 결과, 금속 니켈의 압축강도는 결정립 크기 감소에 따라 지속적으로 증가되며 3nm 니켈 샘플의 강도는 전통적인 니켈 강도의 10배 이상에 달함을 발견했다. 이론적 계산 및 투과전자현미경 측정 결과, 20nm 이하의 샘플에 나타나는 전위(Dislocation) 및 고압에 의한 결정립계 소성변형 대폭 억제는 미세 결정립 샘플의 강도를 증가시키는 핵심이다. 연구팀은 금 및 팔라듐에서도 상기 현상과 유사한 미세 결정립 강도 증가 현상을 관측했다. 따라서 동 연구는 나노 금속 압축을 통해 고강도 금속을 획득하는 일반적인 방법을 제공했다. 기존의 연구에 의하면 나노 결정립을 일정한 크기로 미세화시킬 경우 결정립은 연화된다. 하지만 이번 연구를 거쳐 압축을 통해 나노 결정립계의 소성변형을 효과적으로 억제시키고 따라서 연화를 억제시킬 수 있기에 고강도 나노 금속 재료를 획득할 수 있다는 결론을 얻었다. 천빈 연구팀은 나노 재료의 고압 조건에서 변형 연구에 진력해 왔으며 최초로 3nm 금속 니켈에서도 전위활주에 의한 변형 메커니즘을 실험적으로 관측함과 아울러 고압 미세영역 라우에 X선 회절법으로 최초로 나노 금속 입자 회전폭의 임계 치수를 관측했다.

물 결빙의 임계 빙정핵 실험 입증

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중국과학원 화학연구소와 중국과기대학교 공동 연구팀은 최초로 물이 결빙하는 과정에 임계 빙정핵이 존재한다는 것을 실험적으로 증명하였고 임계 빙정핵의 존재를 입증함과 아울러 임계 빙핵정의 크기와 과냉각 온도의 관계를 제시했다. 해당 결론은 고전 핵생성 이론 예측과 고도로 일치했다. 해당 성과는 "Nature"에 게재되었다. 열역학에 따르면, 물 분자는 용액에서 지속적인 열운동을 진행하며 온도가 빙점보다 낮을 경우, 질서있게 배열되는 경향이 있다. 하지만 "물"과 "빙정핵" 사이의 전환에 대해서는 밝혀진 바가 없다. 임계 빙정핵은 오랜 시간을 기다려야 발생하는 우연성, 수명의 나노초급 순간성 및 나노급 사이즈의 미시성을 보유하기에 기존의 미시적 관측 기술로 포착이 어렵다. 연구팀은 독창적으로 산화그래핀 나노시트 등 일련의 고정 크기의 나노입자를 이용하여 임계 빙정핵을 탐지하고 실험과 이론을 결합한 계산을 통해 간결하고 뚜렷한 임계 빙정핵 사이즈를 획득했다. 해당 연구 결과는 이론적 계산 결과와 고도로 일치했고 나노입자 종류, 재질 등 요소와 무관하게 보편성을 보유하여 얼음 임계핵의 존재를 증명하였을 뿐만 아니라 기타 상변화와 핵생성 연구에도 적용 가능하다. 나노입자 사이즈와 빙정핵 형성 능력을 연구한 결과, 나노입자의 사이즈가 특수 값보다 클 경우, 입계 빙정핵의 형성을 효과적으로 추진하며 사이즈가 작은 나노입자는 빙정핵 형성을 거의 촉진하지 못한다. 해당 연구 성과는 기존의 "고전 핵생성 이론"이 원자 사이즈의 임계 빙정핵 특징을 효과적으로 해명하지 못한 단점을 보완하고 물 결정 메커니즘, 상변화 현상 및 통계물리학의 거시적 및 미시적 관계에 대한 이론적 이해를 심화했다. 아울러, 세포와 조직의 저온 동결보존, 백신의 생산과 운송 과정에서의 활성 유지 및 항공기 등 교통 도구의 결빙방지 코팅 등에서 중요한 응용 가치가 있다. 해당 연구는 실험을 통해 임계 빙정핵의 존재를 직접적으로 입증했고 임계 빙정핵을 형성하는데 필요한 물 분자 수량을 밝혔다. 또한, 나노입자 사이즈와 핵생성 온도의 상호 관계를 밝히고 임계 빙정핵을 탐측하는 보편적인 방법을 발견했다. 이는 빙정핵 분야 연구의 중요한 이정표이다.

세계 최초로 단일 카이랄성 탄소나노튜브 긴 공액사슬 단편 합성

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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.

"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.