기술동향
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고수확 논벼의 메탄 배출 저감 입증

논벼는 중국의 가장 중요한 식량작물인 동시에 온실가스 메탄의 최대 배출원이기도 하다. 중국은 세계 최대 논벼 생산지 및 소비국이다. 세계 기후변화 담판 및 국제 포럼에서 중국의 논벼 생산으로 인한 메탄 배출 문제는 줄곧 논쟁의 중심에 있다. 중국농업과학원 작물과학연구소 작물경작생태 연구팀은 지난 50년간 중국의 논벼 품종 개량과 벼농사 기술 혁신이 식량 증산을 촉진함과 아울러 탄소 배출 저감을 위하여 중대한 기여를 했음을 입증함으로써 중국의 현대 벼농사 다수확이 고탄소 배출을 동반한다는 오해를 바로잡았다. 해당 성과는 "Environmental Research Letters"에 게재되었다. 연구팀은 수년간 대표본 품종 비교, 논밭 위치결정 모니터링, 지역 조사와 역사 데이터 발굴을 통해 지난 50년간 중국 논벼의 품종 갱신, 재배 혁신 및 벼재배 조정 등이 논벼 수확량과 논벼 온실기체 배출에 미치는 영향을 종합 평가하였다. 연구 결과, 논벼 재배가 북쪽으로 갈수록 고수확 품종과 물조절 산소증가 경작 등 혁신을 통해 논벼의 단위면적당 생산량이 130% 증가하는 경우, 논벼 온실기체 배출은 70% 감소하였으며 특히, 메탄 배출 저감이 현저했다. 해당 연구 성과는 중국의 논벼 재배업에 대한 국제적인 오해를 풀었을 뿐만 아니라 고수확 저탄소 논벼 재배를 위한 방향을 제시했으며 세계 작물 생산의 기후변화 대응을 위한 이론적 및 기술적 참조를 제공했다.

2개 탑재한 상업용 스마트 비디오 위성 최초 발사

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최근, 2개의 스마트 비디오 위성을 탑재한 창정2호 정(丁) 운반로켓이 중국 지우취안(酒泉) 위성 발사 센터에서 성공적으로 발사되었으며 데이터 전송 임무를 성공적으로 완성하였다. 발사 후, 영상 이미지 해석에 성공하였는데 이는 중국 전자과학기술그룹회사 제54연구소(약칭 “54연구소”)에서 연구 제작한 데이터 전송, 계측 및 제어 시스템의 궤도상 시험이 완벽하게 성공하였음을 의미한다. 스마트 비디오 위성의 데이터 전송, 계측 및 제어 시스템은 위성의 주요 서브 시스템이다. 이번 성공은 54연구소의 위성 통신 사업에 기념비적인 의미가 있으며 54연구소가 새로운 영역을 개척하고, 위성-지구 일체화의 전략적 높이를 점령할 수 있게 하였으며 위성 통신이 신속히 발전하는 새로운 시대를 열었다.

중국 위성탑재 항공우주 목표 신호의 궤도위 수신 성공

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국방과학기술대학교는 2015년10월 12일, 중국 최초로 진행한 위성탑재한 항공우주 목표 신호의 자동식별(ADS-B) 수신 시험이 원만히 완성되었다고 밝혔다. “톈퉈3호(天拓三號)”의 주위성 “뤼량(呂梁) 1호”가 궤도에서 안정적으로 운행되며 매일 약 40만개의 정보 데이터를 수신하고 있으며 이를 통하여 전 세계 범위에서 항공우주 목표에 대한 준실시간 목표 모니터링과 공중 유량 측정을 구현하였다. ADS-B 접수 시스템은 “말레이시아 항공기 사건”, “에어아시아 항공기 사건”과 같이 교신이 끊기는 것을 효과적으로 방지할 수 있으며 대규모 데이터에서 항공관리, 물류 감시, 경제 상황에 잠재적인 가치가 있는 정보를 얻어낼 수 있다. ADS-B는 항공기가 자동으로 발송한 위치, 항행 방향, 항속 등 정보를 수신하는 모니터링 장비로 항공기들 사이에서는 물론 항공기와 지상 관제탑 사이의 상호 통보와 감시를 실현하여 상호 사이의 식별과 안전거리 유지 및 지상 관제탑의 지휘와 운항관리에 편의를 제공하였다. 현재, 전 세계에서 독일, 덴마크 등 소수 국가만이 위성 탑재 ADS-B 시스템으로 궤도에서의 신호 수신 실험을 진행한 바 있다. 중국 국방과학기술대학교 마이크로 나노위성 기술 혁신팀은 “톈퉈3호” 주위성 및 위성 탑재 ADS-B 시스템의 연구 개발 과정에서 일반화 다층 평판 형태의 마이크로 나노위성 체계 구조, 전 세계 해상공중의 동적목표 측정과 신호 수신, 다차원 정보 수집과 융합 처리 등 핵심 기술을 확보하였으며 이를 통하여 위성 탑재 ADS-B 시스템이 민감성이 높고 운행 안정성이 우수하며 데이터 저장량이 크고 질량이 가볍고 전력 소모가 적고 비용 효율이 높은 등 특성을 갖게 되었다. 본 기술 성능은 국제 선진 수준에 도달하였으며 중국의 실용형 마이크로 나노 위성의 연구 제작과 응용 능력을 높였다.

시창위성발사센터, 4번째 차세대 베이더우 항법위성 발사 성공

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2015년 9월 30일 오전 7시 13분, 중국 시창위성발사센터(西昌衛星發射中心)에서 창정3호 을(長征三號乙) 운반로켓으로 차세대 베이더우 항법위성(北斗導航衛星)을 발사하는데 성공하였다. 이번에 발사된 위성과 운반로켓은 각각 중국항천과기집단회사(中國航太科技集團公司) 산하의 중국공간기술연구원(中國空間技術研究院)과 중국운반로켓기술연구원(中國運載火箭技術研究院)에서 연구개발한 것이며, 이는 창정 계열 운반로켓의 제212번째 비행이다. 해당 위성은 중국의 네번째 차세대 베이더우 항법위성이자, 중국에서 발사한 20번째 베이더우 항법위성이며, 지구동기 경사궤도에서 작업을 진행하는 위성이다. 최초로 수소원자 시계를 탑재한 해당 위성은 궤도에 진입한 후, 위성 탑재용 수소원자 시계, 위성간 링크, 신형 항법신호 체계 등에 관한 검증시험을 수행하고 적시에 네트워크 서비스를 제공할 예정이다. 베이더우 위성의 항법 시스템은 중국에서 자체적으로 구축하고 독립적으로 운행하며, 세계 기타 위성 항법 시스템과 겸용 및 공동 사용할 수 있는 글로벌 위성항법 시스템으로서, 세계적 범위에서 전천후로 다양한 사용자를 위하여 정밀도가 높고 신뢰성이 높은 위치 확인, 속도 측정, 시보 업무를 제공할 수 있으며, 또한 짧은 메시지 통신 능력도 보유하고 있다. 베이더우 위성 항법 시스템은 2012년 정식으로 지역 서비스를 제공한 이래, 지속적으로 안정된 운행을 하고 있으며 성능 지표도 안정적으로 향상하고 있다. 시스템의 글로벌 네트워킹 구축 계획에 근거하여, 2018년에 “일대일로” 관련 연결 국가를 위하여 기본 서비스를 제공하며 2020년에 글로벌 서비스 능력을 갖게 될 것으로 기대된다.

중국, 부양상태의 근공간 비행선 “위안멍호” 비행 성공

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2015년 10월 13일 오전 2시 10분, 중국 첫 군민 겸용 신형 근공간 플랫폼 “위안멍호(圓夢號)”가 네이멍구 시린하오터(內蒙古錫林浩特)에서 비행을 수행하였다. 이는 세계 최초로 지속적인 동력, 제어 가능한 비행, 중복 사용 능력을 갖춘 근공간 비행선의 비행이자, 최초로 기업과 개인 사용자를 위하여 상업 서비스를 제공한 비행이다. 베이징난장쿵톈과기주식유한회사(北京南江空天科技股份有限公司)와 베이징항공항천대학(北京航空航天大學), 네이멍구 시린궈러맹(內蒙古錫林郭勒盟)이 공동으로 연구 개발한 해당 비행선은 사용자의 광대역 통신, 데이터 중계, 고해상도 관측, 공간 촬영과 공중 감지기 등 장치를 탑재하고 있다. 비행선은 현재 20 km 높이의 지정된 범위에서 정상적인 체공과 비행을 진행하고 있다. 체적이 1만 8,000㎥에 달하는 거대한 은색 비행선인 “위안멍호”는 헬륨 가스의 부력으로 공중에 떠오른다. 또한 “위안멍호”는 3개의 전기 프로펠러를 사용하며, 공중에 떠오른 후에는 태양광을 동력으로 하여 48시간 동안 체공할 예정이다. 근공간은 지구 표면에서 20~100km 떨어진 구역으로, 전통 항공 공간과 우주 공간 사이에 위치한 부분이며 전통적인 항공 공간과 우주 공간의 접합부이다. 물리적 고도와 대기 밀도의 영향으로 전통적인 항공기와 비행선은 모두 해당 공간 내에서 비행을 할 수 없다. 그러므로 근공간은 일반 항공기의 가장 높은 비행 고도와 우주 기반 위성의 가장 낮은 궤도 사이의 아주 특수한 영역이다. 근공간 비행선의 가장 어려운 점은 공중으로 날아오른 후의 체공이다. 근공간의 주야 온도차가 아주 크기에 재료 및 시스템 제어에 대한 요구도 아주 높다. 이번에 사용된 캡슐 재료는 기존의 재료에 비해 더 가볍고 감당할 수 있는 압력이 더 크며, 유연한 태양전지의 에너지 전환율이 18%이상에 달한다. 해당 비행선은 세계에서 가장 가벼운 항공전자 시스템을 사용하였다. “위안멍호”는 태양 에너지와 지속적인 동력을 이용하여 자유자재 및 원격조종으로 하늘을 오르내리고, 고정이나 순항 비행이 가능한 것은 물론 통신 커버리지와 중계, 지상 촬영과 관측 등 다양한 임무를 수행할 수 있다.

2015년 중국 생명과학 분야 10대 성과

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최근, 중국과학기술협회 생명과학학회연합회는 18개 학회의 추천, 생명과학 분야 전문가들의 평가 및 연합회의 선정과 심사를 거쳐 2015년 “중국 생명과학 분야의 10대 연구 성과”를 아래와 같이 발표하였다(순서는 순위와 상관없음). 1. 중국과학원 식물연구소 중캉(種康) 연구원과 중국논벼연구소 쳰쳰(錢前) 연구팀은 논벼의 저온 감수·저항 메커니즘에 관한 연구를 통해 세계 최초로 식물 저온 센서를 발견하고 인공 순화에 의한 메벼 내한성의 분자세포학적 메커니즘을 규명하였다. 2. 우한(武漢)대학 쑹바오량(宋保亮) 연구팀은 세포내 콜레스테롤 수송에 관한 새로운 메커니즘을 발견하여 퍼옥시좀 이상 질병을 치료하는데 새로운 가능성을 제공하였다. 3. 베이징(北京)생명과학연구소 사오펑(邵峰) 연구팀과 샤먼(廈門)대학 한자화이(韓家淮) 연구팀은 각각 독립적으로 세포 염증성 괴사에 관한 새로운 메커니즘을 규명하여 자체 면역과 염증성 질환을 위하여 새로운 이론적 근거를 제공하였다. 4. 제3군의대학 쩌우취안밍(鄒全明), 중국식품약품검증연구원 쩡밍(曾明), 장쑤성(江蘇省)질병예방통제센터 주펑차이(朱鳳才) 등 교수는 공동으로 경구 “헬리코박터 파일로리(Helicobacter pylori, Hp) 백신을 연구 개발하여 만성 위염과 위암을 예방하는데 새로운 방법을 제공하였다. 5. 칭화(清華)대학 스이궁(施一公) 프로젝트팀은 이어맞추기 복합체(Spliceosome)의 3차원 구조 및 RNA 이어맞추기의 분자 구조에 관한 기초 연구를 진행하고 이어맞추기 복합체의 작업 원리를 구현하여 메카니즘을 더 한층 이해하는데 기반을 마련하였다. 6. 베이징(北京)대학교 생명과학대학 셰찬(謝燦) 실험실은 자기 수용체 단백질 MagR를 발견하고 생물체가 감수하는 자기장의 변화에 관한 분자 메커니즘을 규명하여 자기장에 의한 생물 대분자의 성질 조절을 촉진하는데 가능성을 제공하고 생물 천이의 비밀을 밝히는데 도움을 주었다. 7. 저장(浙江)대학 장촨시(張傳溪) 연구팀이 발견한 벼멸구의 긴 날개, 짧은 날개의 가소성 발육에 관한 분자 "스위치"는 곤충을 방제하는데 아주 중요한 가치가 있다. 8. 중국과학원 식물연구소 쾅팅윈(匡廷雲), 선젠런(沈建仁) 연구팀은 고등식물의 광화학계I-광수확 안테나(PSI-LHCI)의 결정 구조를 해석하여 작물의 광이용 효율 향상, 바이오닉 시뮬레이션, 태양에너지 이용을 위하여 이론적 근거와 중요한 경로를 개척하였다. 9. 베이징(北京)대학 탕푸처우(湯富酬) 연구팀은 베이징대학 제3부속병원 차오제(喬傑) 연구팀과 공동으로 발육과정 중의 인류 원시 생식세포 유전자의 발현 네트워크에 관한 후성유전학적 조절을 분석하여 초기 인류의 배 발생 관련 유전자와 후성유전학적 조절을 위하여 새로운 이론과 기법을 제공하였다. 10. 베이징(北京)대학 덩훙쿠이(鄧宏魁) 연구팀은 화학적 재프로그래밍 과정의 중간 상태 감정과 새로운 화학적 재프로그래밍 시스템의 구축을 통해 소분자 화합물에 의해 유도되는 체세포 재프로그래밍 메커니즘을 규명하여 재생의학에 새로운 가능성을 제공하였다.

중국과학원 신경과학연구팀, 세계 첫 유전자 조작 자폐증 원숭이 탄생

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최근, 중국과학원 신경과학연구소가 이끄는 연구팀이 자폐증 증상을 보이는 유전자 조작 원숭이를 만들었다. 이 실험 원숭이는 귀신에 홀린듯 맴돌면서 다른 원숭이를 외면하였으며 사람들이 주시할때 불안해하며 중얼거리는 증상을 보였다. 해당 원숭이는 인간 자폐 스펙트럼 장애와 관련된 1개의 유전자를 가지고 있었다. 이 원숭이가 자폐증에 대한 테스트 치료와 조사 과정에 새로운 생물학적 경로를 개척할 것으로 기대된다. 해당 연구 성과는 2016년 1월 25일 “Nature”에 탑기사로 상세하게 발표되었다. 자폐증은 다양한 증상을 나타내며 많은 유형으로 나눌 수 있다. 연구자들은 적어도 100종 유전자가 자폐증에서 작용을 일으킨다고 인정하고 있다. 최근 베이징대학(北京大學) 제6병원, 위생부 정신위생학중점실험실 등 의료기관의 연구팀은 Prex1로 명명한 유전자 결실이 자폐증과 유사한 증상을 유발함을 발견하였다. 이는 해당 유전자의 돌연변이가 자폐증 및 장기 우울증과 관련된다는 것을 입증한다. 중국과학원 연구팀이 자폐증 관련 유전자 MECP2에 초점을 두고 연구를 진행한 결과, 과잉 MECP2 유전자 카피를 보유한 인간(MECP2중복 증후군)과 일부분 MECP2 돌연변이를 지닌 인간(Rett 증후군)은 모두 대량의 자폐증 증상을 공유하고 있었다. 기존에 윈난성(雲南省)영장류바이오의학중점실험실, 퉁지대학(同濟大學) 의학원 등 연구기관의 연구자들은 이미 자폐증 관련 유전자를 지닌 유전자 조작 원숭이를 만들어 냈다. 그러나 처음으로 이러한 논문을 발표하여 이러한 유전자와 동물의 행동 사이 관련성을 입증하였다.2010년, 중국과학원 신경과학연구소 연구팀은 인간 MECP2 유전자를 무해한 바이러스와 연결시켰다. 그리고 해당 바이러스를 게잡이원숭이의 난자에 주입하여 수정시킨 후, 발육된 배아를 암컷 원숭이 체내에 이식하여 1~7개의 과잉 MECP2 유전자 카피를 보유한 8마리 유전자 조작 원숭이를 탄생시켰다. 1년 후 해당 원숭이는 신기한 방식으로 맴도는 자폐증 증상을 보였다. 맴도는 과정에서 만약 다른 원숭이가 앞을 막으면 그 원숭이를 뛰어 넘거나 에둘러 회피한 다음 계속하여 기존의 원형 궤도를 돌았다. 일련의 행동 테스트를 진행한 결과, 모든 유전자 조작 원숭이는 중복성 행동 혹은 원숭이 무리와 휩쓸리지 않는 등 적어도 1가지 자폐증 증상을 나타냈는데 이는 MECP2 중복 증후군 환자의 증상과 일치하였으며 수컷 원숭이가 해당 증상이 더욱 뚜렷하였다. 그러나 이러한 결과로 해당 원숭이가 자폐증 모델임을 확정할 수 없으므로 해당 연구팀은 2013년에 투고한 논문을 거절당하였다. 심사원들은 이러한 비정상적인 행동이 유전체를 아무렇게나 조작한 결과가 아닌지를 확인할 것을 요구하였다. 그러므로 연구팀은 유전자가 어느 위치에서 차이성을 조성하였는지를 입증할 필요가 있게 되었다. 연구팀은 아주 빠른 속도로 새로운 유전자 조작 원숭이를 만들었다. 이 원숭이가 27개월 되었을 때(성성숙 전) 쑨창(孫強) 연구팀은 수컷 원숭이의 고환을 채취한 후 거세한 생쥐의 등쪽 피하에 인공적으로 해당 조직을 이식하여 성숙시킨 다음, 생성된 정자를 비유전자 조작 원숭이의 난자에 수정시켰다. 탄생한 후대 원숭이는 약 11개월 되었을 때 원숭이 무리와 휩쓸리지 않는 증상을 보였다. 이 결과는 1세대 원숭이의 유전자와 증상이 모두 제2세대에 유전되었음을 입증하며 심사원들의 관점을 변화시켰다. 치우쯔룽(仇子龍) 연구팀은 유전자 조작 자폐증 원숭이 모델을 이용하여 MECP2 과발현이 대뇌의 어느 위치에서 이러한 문제점을 발생시키는지를 확인하였다. 연구팀은 대뇌 영상 기술로 원숭이의 해당 문제점 발생 위치를 정확하게 찾았다. 다음 연구팀은 CRISPR 유전자 편집 기술로 대뇌 영역 세포 내의 과잉 복제된 MECP2 유전자를 제거한 후, 원숭이 자폐증 증상의 소실 여부에 대한 검사를 시도하고 있다. 해당 기술이 빠른 시일 내에 인간에게 적용될 수는 없다. 그러나 뇌 심부 자극술과 같은 기타 기존의 치료 방법으로 원숭이에 대한 연구를 진행하는 과정에서 해당 영역을 감별할 수 있다. 또한 뇌 심부 자극술은 이미 파킨슨병과 우울증을 치료하는데 이용되고 있다. 생쥐의 대뇌 구조는 인류의 대뇌와 아주 큰 차이가 있으므로 원숭이에 대한 영상 기술은 아주 큰 범위에서 인류와의 평등한 비교를 구현할 수 있을 것으로 전망된다. 연구팀은 정신병원과 협력하여 중국인 가운데서 흔히 볼 수 있는 자폐증 관련 유전자에 대한 감별을 시도하고 있다.

동물연구소, 이종간 배아줄기세포 인공합성에 성공

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최근, 중국과학원 동물연구소의 저우치(周琪) 실험실 연구팀은 최초로 안정한 2배체 형식으로 존재하는 이형 접합적 배아 줄기세포를 인공합성하여 진화 분야에서 서로 다른 종간 형질 차이의 분자 메커니즘과 X 염색체 불활성화의 연구에 새로운 도구를 제공하였다. 해당 연구 성과는 2016년 1월 14일 국제적 간행물인 Cell에 Generation and application of mouse-rat allodiploid embryonic stem cells라는 제목으로 발표되었다. 종간 교잡 개체는 독특한 교잡 유전 배경과 형질을 보유하고 있으므로 종 형성, 유전자 조절 진화 및 X 염색체 불활성화를 연구하는 중요한 모델이다. 그러나 종간에는 생식적 격리가 존재하므로 포유동물의 원연 종간 생식세포는 수정(fertilization) 및 발육할 수 없으며 오직 근연 종간에서만 발생한다. 생물학적 연구의 편리를 위하여 인류는 생쥐-도깨비쥐, 인간-설치류, 인간-소 등 교잡 세포와 같은 각종 원연 종간 접합 세포를 창조하였다. 그러나 이러한 세포는 체세포 융합으로 생성되었기 때문에 모두 4배체이고 또한 불안정하므로 흔히 대량의 염색체 결실 현상이 발생하여 분화 기능이 거의 없다. 그렇다면 생식적 격리의 장벽을 우회하여 포유동물의 원연 종간 2배체 접합 세포를 창조할 수는 없을까? 최근, 저우치 실험실 연구팀은 일련의 포유동물의 반수체 배아 줄기세포를 구축하였고, 또한 반수체 줄기세포는 유전자 스크리닝에 편리하게 이용될 수 있을 뿐만 아니라 일정한 생식세포 특성과 발육 기능이 있다는 것을 발견하였다. 예를 들면 웅성발생 반수체 줄기세포로 정자를 대체하는 방법, 자성발생 반수체 줄기세포로 난모 세포핵을 대체하는 방법으로 발육할 수 있는 후대를 생성할 수 있다. 상술한 연구를 토대로 연구팀은 세포 융합 기술로 생쥐의 웅성발생(자성) 반수체 줄기세포와 도깨비쥐의 자성발생(웅성) 반수체 줄기세포를 융합시켜 생쥐와 도깨비쥐의 정자와 난자가 융합한 후 발육될 수 없는 생식적 격리 장애를 회피하여 이형 접합적 2배체 배아 줄기세포를 획득하였다. 해당 교잡 세포는 배아 줄기세포의 3배엽층을 분화시키는 기능을 갖고 있고, 더 나아가 분화되어 초기의 생식 세포를 형성할 수 있으며, 또한 배양 및 분화 과정에서 이형 2배체 유전체의 안정성을 유지할 수 있다. 유전자 발현 분석 결과, 이형 접합적 2배체 세포는 “고친화”, “저친화” 등 독특한 유전자 발현 패턴 및 독특한 생물학적 특성을 나타냈으며, 양자의 결합에 대한 분석을 통하여 종간 형질 차이의 분자 조절 메커니즘을 효과적으로 발굴할 수 있다. 동시에 접합 세포의 X 염색체 불활성화에 대하여 포유동물에서 흔히 볼 수 있는 “임의적 불활성화” 패턴을 사용하지 않고 생쥐의 X 염색체 특이적 불활성화 패턴을 사용하였다. 이 특성을 이용하여 해당 연구 시스템으로 생쥐의 X 염색체 불활성화 탈출 유전자를 감정하여 X 염색체 불활성화와 불활성화 탈출의 신방법 및 신메커니즘을 규명하였다. 해당 연구는 도깨비쥐와 생쥐의 유전체를 각각 1개 세트 포함하였으며, 또한 이종 유전체는 2배체 형식으로 안정하게 존재하였다. 이형 접합 2배체 줄기세포는 분화되어 다양한 유형의 교잡체 세포 및 초기 생식 세포를 형성할 수 있으며, 또한 2개 생물종의 특성을 모두 보유한 독특한 유전자 발현 패턴과 특성 그리고 독특한 X 염색체 불활성화 방식을 나타낼 수 있다. 그러므로 천연적으로 생식 격리된 생물종을 위해 안정한 2배체 유전체를 포함한 교잡 줄기세포를 제조하는데 새로운 방법을 제공하였다. 이러한 배아 줄기세포 특성을 보유한 이형 2배체 접합 줄기세포는 진화 생물학, 발생 생물학 및 유전학 등을 연구하는데 새로운 모델과 도구를 제공하여 더욱 많은 생물학적 신발견을 가져올 것으로 전망된다.

베이징커싱바이오회사, 세계 첫 수족구병 EV71 백신 개발

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최근, 베이징커싱(北京科興)생물제품유한회사에서 개발한 세계 최초의 예방용 생물 제품인 제1류 신약-엔테로바이러스 71형(EV71) 불활화 백신 생산 등록 신청이 중국 국가식품약품감독관리총국(CFDA)의 신약 증서와 생산 허가를 받았다. 수족구병은 중국의 5살 이하 영유아 건강에 아주 큰 위해성이 있는 급성 전염병이다. 2008년 중국전염병발생상황보고 시스템에 편입된 후 보고된 발병수는 매년 약 100만건에 달하였으며, 2015년 말까지 수족구병의 보고된 발병사례는 약 1,400만건이고, 영유아의 사망수는 3,300건이며, 법정감염병(legal communicable disease) 가운데서 발병율이 제1위 이고, 질병 사망율은 상위 5위이며, 사회 안정과 경제 발전에 막대한 영향을 미쳤다. 해당 백신은 EV71로 유발된 수족구병에 대한 보호율이 94.6%에 달하고, EV71로 유발된 중증 수족구병에 대한 보호율은 100%에 달한다. 임상 실험 결과, 이 백신은 안전하고 효과적이며 생산 공법이 성숙되었고 제품 품질이 안정적이며 국제 선진 수준에 도달하였다. 현재 창핑(昌平)과학기술단지에 연간 생산능력이 2,000만대(1,000만 인구/대)에 달하는 베이징커싱 신백신 산업 기지를 구축하였다. EV71 백신의 개발 성공 및 산업화 구현은 중국 수족구병의 대규모 발병을 대폭 완화시킬 수 있을 뿐만아니라 중국이 2009년 신종 인플루엔자 A(H1N1) 백신 개발에 이어 또 하나의 세계에서 첫번째로 되는 중대 신종 전염병을 대응하는 백신 제품을 출시하여 국제 시장 진출에 조건을 마련하였다.

해양 중금속 오염 구조 길은 어디에

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중국 최초의 ‘12.5’ 국가급 전문프로젝트 계획은 중금속 오염 퇴치에 초점을 두었다. 최근 국가환경보호부는 <중금속오염 종합퇴치 ‘12.5’규획>이 국무원의 허가를 받았다고 밝혔다. 중금속 오염 퇴치는 현재와 향후 일정 기간 환경보호의 최우선 대사이다. 최근 열린 중금속오염 종합퇴치 화상회의에서 저우성샌(周生贤) 환경보호부장을 비롯한 14개 중점도시의 책임자들은 각 지역에서 중금속오염 조성 기업, 특히 기술이 낙후하고 오염이 심각한 납산 배터리 생산, 납 제련 등 기업을 조사해야 한다고 지적했다. ◉ 닝버시 70% 해역은 심각한 오염 최근 발표된 <2010년 닝버시 해양환경공보>, <2010년 썅산항(象山港) 해양환경공보> 및 <2010년 닝버시 어업생태환경 상황공보>에 따르면 닝버시 인근 해역들은 약 70%가 오염이 심각한 것으로 나타났으며, 오염이 심각한 해역은 항저우시 완난안(湾南岸), 융쟝커우(甬江口), 베이룬-다세다오(北仑—大榭岛), 썅산항, 산먼완(三门湾) 등지에 분포된 것으로 조사됐다. 그중 닝버시 해양환경공보에 따르면 2010년 닝버시 인근 해역 양자강, 치엔탕쟝(钱塘江), 융쟝(甬江) 등의 영향을 받아 영양염이 심하게 오염됐으며 오염이 심각한 해역 면적은 6,625.76㎢로 전체의 67.9%를 차지한 것으로 집계됐다. 중간정도의 오염 면적은 1,790.24㎢로 18.35%를 차지했으며 경미한 정도의 오염 면적은 861.06㎢로 8.82%를 차지, 청정해역 면적은 480.94㎢로 4.93%에 그쳤다. 따라서 2009년 대비 오염이 심각한 해역과 중간정도 오염해역 면적은 다소 증가한 반면 경미한 정도의 해역오염 및 청정해역 면적은 감소한 것으로 드러났다. ◉ 화이허(淮河) 수질오염사건 1994년 7월, 화이허에서 대형 오염 사건이 발생, 2억㎥에 달하는 폐수가 유입되어 중하류 지역의 모든 담수 양식업에 막대한 피해를 끼쳤고 안후이(安徽) 북부 공업 생산이 중지되었으며 100만 명에 달하는 주민들이 식수난에 직면했다. ◉ 어떤 종류의 중금속이 해양오염을 조성하는지? 전문가에 따르면 중금속은 아주 위험한 오염물질로 현재까지 명확한 정의가 내려지지 않고 있지만 비중이 4.5g/㎤ 이상인 금속으로서 수은, 카드뮴, 납, 아연, 크롬, 구리 등이 있으며 독성이 강하고 자주 접할 수 있는 금속이기 때문에 주요 환경오염물질로 간주되고 있다. 인위적인 오염은 산업폐수와 광산폐수의 배출 및 중금속농약의 유실이며, 석탄과 석유 연소과정에 방출되는 중금속이 대기운반을 통해 바다에 진입한다. 중금속은 물속에서 분해될 수 없어 도처에 확산되어 어느 정도 기준에 도달한 후 해수요염을 조성한다. 다른 일부 중금속은 미생물의 작용으로 다양한 형태의 상호 전환과 집결을 통해 독성이 더욱 강한 금속화합물을 형성한다. 예를 들면 수은의 메틸화로 인해 메틸수은이 형성되어 수은중독을 초래하는 것이 가장 전형적인 사례다. ◉ 해양 중금속오염은 어디에서 주로 오는지? <2009년 중국 해양환경 품질공보>에 따르면 2009년 중국에서 청정해역 수질 기준에 도달하지 못한 면적은 14만 6,980㎢로 전년대비 7.3% 증가한 것으로 나타났다. 오염이 심각한 해역으로는 보하이완(渤海湾), 랴오둥완(辽东湾), 창쟝입구(长江口), 항저우완(杭州湾), 주장입구(珠江口) 및 일부 중대도시의 인근해역으로 조사됐다. 국지적인 해역의 침적물은 중금속과 석유오염 피해를 입었으며 부분적인 조개류의 체내 오염물 잔류수준은 여전히 높았다. 하천을 따라 바다에 진입한 오염물질총량은 전년대비 크게 증가했다. 바다로 들어가는 오폐수 배출구의 73.7%는 기준을 초과해 오염물질을 배출했으며, 일부 오폐수 배출구 인근의 해역은 환경오염이 갈수록 심각해지는 추세다. 또한 한 해 동안의 적조 발생 횟수는 68회, 누계 면적은 1만 4,100㎢에 달한 것으로 드러났다. ◉ 해양 중금속오염 해결책은? 해양 중금속 오염이 세계적인 환경문제로 부각되고 있는 가운데 전문가들은 해양 중금속 오염 해결책으로 내・외부 통제방법을 병행할 것을 지적하고 있다. 외부 통제방법으로는 광물채굴, 전기도금, 금속제련, 화공생산 등에서 배출되는 중금속 함유 폐수나 고형폐기물을 처리 및 감소시키는 것이며 내부 통제방법에는 용해성 중금속을 불용성 또는 난용성 금속화합물로 전환시키는 것과 중금속의 화학적 형태를 변환시키지 않는 역삼투, 전기투석, 이온교환, 증발농축 등 방법이 제기되고 있다. 그러나 해양 중금속 오염 퇴치는 주로 예방에 중점을 두고 오염원을 통제하는 동시에 제조공법을 개선하여 중금속 유실을 방지하고 회수율을 높여야 할 뿐만 아니라 관련 환경보호법규를 실질적으로 시행하고 모니터링을 강화하는 것이 필요하다. ◉ 깊은 바다의 물고기를 선호하는 자가 해양수은 중독의 가능성 커져 생선을 대량 섭취하면 총명해지고 쇠고기 돼지고기보다 지방과 콜레스테롤이 적어 많이 먹을수록 몸에 좋다는 정보를 장기간 동안 많이 접했다. 그러나 환자 치료과정에 생선 과다섭취로 수은중독에 걸리는 현상이 자주 발생하고 있다. 아직까지 생선을 너무 많이 섭취하여 수은중독에 걸릴 수 있다는 명확한 입증자려가 없지만 환자치료 과정에 원인을 찾을 수 없는 병이 대량 발견되어 추적해보니 대부분 환자의 음식습관이 황새치, 참치, 상어 등 원양어류를 선호하는 것으로 밝혀졌다. 이들 환자 체내의 수은함량은 상당히 높았으며, 의사 건의대로 생선 섭취를 중단하니 모든 증상이 완화되었다.

칭장고원에서 최대 규모 태양광발전소 건설 한창

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건설이 한창인 10MW급 눠르카저(诺日喀则) 태양광발전소는 산동성의 티벳 지원 최대 프로젝트로서 투자규모는 8억 위안이다. 1기공사 부지는 400무(畝), 연간 발전량은 2,000만kW로, 오는 5월 말 계통연결형 발전을 본격적으로 가동한다. 동 프로젝트는 르카저시 10만 가구 농/목축민들의 한 해 동안 생활용 전력을 공급할 수 있어 현지용 전력부족난을 완화시킬 수 있을 뿐만 아니라 연간 7,000톤의 석탄을 절약할 수 있고 이산화탄소 1만 3,000톤을 감축할 수 있다. 이에 따라 이곳의 생태환경이 앞으로 크게 개선될 전망이다.

공업신식화부 스마트그리드와 특고압 송전망 구축에 박차

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3월 26일, 중국전력기업연합회 주관으로 개최된 '2011년 경제상황 및 전력발전 분석 예측회의'에서 쑤버(苏波) 공업신식화부 부부장은 신에너지 장비산업과 관련 핵심기술 개발에 주력해 저탄소 녹색성장을 촉진해야 한다고 밝혔다. 그는 이러한 목표를 달성하기 위해 고효율 청정석탄 발전장비, 특고압 송전기술, 스마트 그리드 등 3대 업종을 대대적으로 발전시켜야 한다고 명확히 제시했다. 이는 공업신식화부 고위 인사가 최초로 스마트그리드와 특고압 송전망에 대해 공식적으로 언급한 것이어서 주목받고 있다. 쑤버 부부장은 신에너지장비 분야에서 자체 지재권 보유 태양전지 및 태양열 이용 장비, 메가와트급 태양광 발전소 인터버 및 제어시스템, 메가와트급 풍력발전장비와 핵심부품 설계, 제조 기술을 본격적으로 발전시켜야 한다고 지적했다. 아울러 원전 분야에서는 첨단 원전 프로젝트를 통해 원자력발전 장비와 서비스산업의 발전을 촉진하고 대형 단조물, 압력용기, DCS(분산제어시스템), 원전용 밸브, 펌프의 자체 제조능력을 제고할 것을 요구했다. 저탄소 녹색성장과 관련해서는 고효율 청정석탄 발전장비와 특고압 등 대용량 첨단 송전기술・장비를 대대적으로 발전시켜 대규모 송전망 구축에 따른 전선 소모를 줄이고, 전력 공급자와 소비자가 양방향으로 실시간 정보를 교환해 송배전 효율을 최적화하는 차세대 전력망인 스마트그리드 사업을 강화해야 한다고 강조했다. 또한 스마트그리드 표준시스템 구축과 기타 신에너지장비 연구개발을 강화할 것을 제시했다. 쑤버 부부장은 중국의 태양광전지 생산량이 세계 1위이나 스크린인쇄기, 고온 소결로 등 핵심설비는 여전히 수입에 의존하고 있어 독자적인 연구개발력 강화가 시급하다고 덧붙였다.

특고압 송전공정 ‘12.5규획’에 편입

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투자규모 두 개의 삼협공정 해당 국가전력망공사(State grid)에 따르면 중국은 특고압 송전공정을 이미 '12.5규획'에 편입시켰다. 3월 16일 발표된 '12.5' 계획 요강에서는 대규모 송전망 구축 필요성과 신에너지 발전에 의해 생산된 전력을 기존의 전력망에 맞물리는 계통연결의 중요성이 부각되면서 현대화 전력망체계 구축 및 '서전동송'(西電東送) 규모 확대, 특고압 등 대용량과 고효율 및 원격 송전기술을 적극 발전시킬 것을 제시했다.그리고 정보, 제어, 에너지저장 등 첨단기술을 바탕으로 스마트 그리드 구축에 박차를 가하고 도시와 농촌의 전력망 구축 및 개조사업을 활성화하며 전력망의 최적화 배치능력과 전력공급의 신뢰성을 향상시킬 것을 요구하고 있다. 장커샹(张克向) 국가전력망공사 발전기획부 전문가는 제일재경일보(第一財經日報)와의 인터뷰에서 원자력발전, 풍력발전, 수력발전 등 신에너지 발전은 모두 특고압 전력망 구축이 뒷받침되어야 한다고 밝혔다. 2020년 중국의 풍력발전 설비용량은 1.5억kW 이상에 달할 것으로 추정되며 현재 8대 풍력발전기지의 설비용량은 전체의 80%를 차지하고 있다. 그중 5대 풍력발전기지는 화북, 서북, 동북지역에 위치해 있으며 신강, 감숙, 내몽고, 길림 등지의 풍력발전 설비용량만 8,000만kW에 달하고 있어 풍력발전에 따른 전력 소비가 큰 관심사로 떠오르고 있다. 따라서 이들 지역에서 생산된 전력을 화북, 중부지역으로 공급하기 위해서는 특고압 전력망 구축이 시급한 상황이다. 중국은 '12.5'기간 삼종삼횡(三纵三横) 특고압 교류 송전망과 11개 특고압 직류 송전망 구축에 삼협공정의 2배에 해당되는 5000억 위안을 투입할 계획이다. 그 중 특고압 교류 송전망에 대한 투자가 투자액의 2/3을 차지한다. 그러나 이에 앞서 전문가는 중국 정부의 특고압 송전공정 가운데 특고압 교류 송전망 투자에 대한 막대한 비용으로 수익 창출이 어렵다고 우려했다.

시안광학정밀기계연구소, 고효율․고출력 반도체 레이저칩 개발

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최근에 시안(西安)광학정밀기계연구소 양궈원(楊國文) 연구원이 담당하고 있는 12차5개년계획의 '일삼오(一三五)' 자율 배치 프로젝트-'고효율, 고출력 반도체 레이저칩 연구'는 1년간의 기술적 어려움을 극복하고 획기적인 성과를 거두었다. 중국 최초로 고효율․고출력 칩 설계, 저응력, 저결함 재료 및 소자의 제조공법, 고손상 문턱값 레이저 캐비티 표면처리, FMA 고장 메커니즘 분석 등 핵심기술을 파악하였으며 4가지 고급 반도체 레이저칩을 독자적으로 개발하였다. 그중, 100W급 반도체 레이저칩의 전기광학 변환효율은 국제 최고수준에 달하였으며 국제 동급 소자의 성능지표를 초과하였다. 연구팀은 20여개 고효율․고출력 반도체 레이저칩을 개발하였고 SCI논문 2편을 발표하였으며 특허 9개를 신청하였다. 해당 프로젝트는 최근의 최종검수에 통과되었다. 고출력 반도체 레이저칩은 전반 레이저 가공 산업사슬의 기반이자 근원이며, 레이저 시스템의 소형화, 경질화와 안정적 출력의 전제․담보로 되며, 또 선진제조, 의료미용, 우주항공, 안전보호 등 영역에서 광범위하게 응용된다. 유럽과 미국 등 선진국들은 고출력, 고효율 반도체 레이저칩 연구 분야에서 세계 선두를 달리고 있다. 현재 중국의 실용적인 고출력 반도체 레이저장치의 단일 튜브는 5W보다 크고 단일 바(bar)도 40W보다 크기에 거의 전부가 수입품에 의존하며 레이저기술 산업발전을 심각하게 제약하였다. '고효율․고출력 반도체 레이저칩 연구' 성과는 중국 고급 반도체 레이저칩이 장기간 수입품에 의존하는 형세를 개변시켰으며, '중국제조2025', '인터넷+' 등 국가 중대 응용수요에 핵심적 지원을 제공하였다.

중국과학원 물리연구소, 자성 스마트 재료시스템 d-metal 합금을 개발

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최근, 베이징시과학기술위원회의 지원으로 중국과학원 물리연구소 우광헝(吳光恒) 연구팀은 독창적 자체 지식재산권을 보유한 자성 스마트 재료시스템 d-metal 합금을 개발하였다. 자성상 변이 재료(Magnetic phase change material)는 결정체 구조 위상 변이와 자성상 변이 특성을 겸비한 스마트 재료이며, 환경조건에 의해 감지, 센싱, 응답을 진행하는 센서와 드라이버 제조의 핵심 재료이다. 또한, 사물인터넷 시대에 정보 흐름과 인간을 연결하는 데 필요한 핵심 고리이다. 해당 재료시스템은 국제적으로 현존하고 있는 Heusler 합금, MMX 6각형 구조 합금과 함께 3개의 자성 재료가족을 형성하였다. d-metal 합금의 자성과 상변이 성질은 기존의 재료 시스템에 비해 낮지 않을 뿐만 아니라 동시에 우수한 종합 역학적 성질을 갖춤으로써 기존의 자성상 재료가 쉽게 파괴되면서 가공하기 어려워 사용에 영향을 미치는 문제를 해결하였다. 해당 시스템의 성공적 개발은 자성상 변이 신재료의 발전을 추진하여, 차세대 자성상 변이 재료 영역에서 중국이 국제 선도적 지위를 차지하는 데 중요한 의미가 있다.

베이징대학교, 세계 최초 나노 ‘스마트 태그’ 발표

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최근, 중국과학원 원사, 베이징(北京)대학교 교수 옌춘화(嚴純華)는 2016년 중국 무균포장산업발전포럼에서 세계 최초의 나노 '스마트 태그'를 발표하였다. 이는 식품약품안전 모니터링 분야의 주요 발명이다. 나노기술을 이용한 '스마트 태그'는 제품 외부포장에 붙었으며, 녹색으로부터 적색으로의 점진적 색상변화로 하여 소비자, 감독관리부문이 포장을 뜯지 않아도 제품의 신선도 여부를 확인할 수 있다. 이러한 점진적 변화과정은 외부환경변화로 인해 역전되는 현상이 발생하지 않지만, 태그가 일단 파괴된 후 임의 사칭태그는 모두 원 태그위치에 붙일 수 없으므로 제품 판매측 또는 제조업자의 부정행위를 막을 수 있다. '스마트 태그' 기술은 베이징대학교 희토재료화학·응용국가중점실험실과 홍콩중문대학교가 공동으로 발명하였으며 국가 발명특허를 부여받았다. '스마트 태그'의 시장화 응용은 생산측, 물류측, 판매측, 소비자의 전체 과정에 양호하고 신뢰적인 서비스를 제공하여 제품품질을 보장할 전망이다.

“탄쒀1호” 무인잠수정 해저 1만m 심해탐사 성공

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2016년 6월 22일~8월12일, 중국과학원 “탄쒀1호(探索一号)”선은 마리아나 해구 챌린저 디프에서 중국 최초 종합적 만미터급 심해과학고찰을 전개하였으며 항행에서 3개 유형의 장비가 다섯 차례 만미터급 깊이까지 잠수하여 심해 최초의 자료를 수집하였다. “위안웨이스옌(原位实验)”호 심연 승강기 탑재 실험 장치는 해저에서 심연 밑부분 질소순환의 원위치 배양실험을 성공적으로 구현하였으며 “톈야(天涯)”호 심연 착륙기는 일차적으로 100리터가 넘는 대량의 해저 물 샘플을 획득하였다. 국제적으로 동급 혹은 유사 장비에서는 최초이다. 과학고찰팀은 중국산 해저지진계를 이용하여 최초로 챌린저 디프 서부에서 능동적 지진원 인공 지진 탐사를 전개하여 완전한 지진단면을 성공적으로 획득하였다. 또한 선박원위치시스템과 퇴적물 표본 추출 장비를 이용하여 수심 9,150m에서 박스형 퇴적물 샘플을 획득하여 동급 심해 장비 작업 깊이의 신기록을 세웠다. 중국에서 자체 개발한 “하이더우(海斗)”호 무인잠수정의 최대 잠항심도는 10,767m로서 중국 최초로 만미터 잠항심도를 초과한 과학고찰에 활용할 수 있는 자율무인잠수정이며 중국 무인잠수정의 최대 잠수 및 심도 기록을 세웠다. 이외, 중국 자체로 개발한 수중활공기 잠항심도는 5,751m에 달함으로써 수중활공기의 최대 잠항심도 기록을 세웠다. 중국산 지진계 작업 심도도 최초로 7,000m를 넘었으며 마리아나 해구 한차례 7,7급 이상의 천연 지진신호를 수집하였다. 이번 과학고찰에서 두개의 9,000미터급과 두개의 만미터급 물기둥의 전도율-온도-심도(conductivity-temperature-depth) 데이터와 각기 깊이 순서가 완벽한 해저 퇴적물 샘플 및 마리아나 해구 퇴적물 샘플을 성공적으로 채취하였다. 또한, 중국 최초로 심연 전속성을 구비한 쏠배감펭(lionfish) 및 만미터 수심의 큰 생물 샘플을 획득하였다. 해당 과학고찰은 “자오룽(蛟龙)”호 7,000m 해상 시운전이 성공한 후 또 하나의 해양 과학기술 이정표이며 이는 중국 심해잠수 과학고찰이 만미터급 시대에 진입하였음을 의미한다.

다야완 중성미자검출기 중성미자 포집에 성공

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8월 15일 광동성 다야완에 위치한 중성미자검출기로 원자력발전소 반응로에서 방출된 중성미자를 포집하는데 성공함에 따라 반물질이 사라지는 비밀을 밝히는데 큰 역할을 할 것이라는 기대를 낳고 있다. 다야완 중성미자실험프로젝트는 중·미 양국간 기초과학분야 최대 협력프로젝트로, 2007년 10월 13일에 착공되어 4년이 지난, 올해 1월 8일에는 중성미자실험프로젝트과 관련하여 브리핑을 가진적 있다. 중국과학원, 중국과학기술부, 국가자연과학기금위원회, 미국에너지부 등의 지원을 받아 4년만에 건설된 대형과학공정인만큼 세계적인 주목을 받게 되었다. 프로젝트 건설단계인 2006년부터 중국, 미국, 홍콩, 대만, 러시아 등 6개 국가(지역), 39개 연구기관의 연구원 250명이 참여하였다. 당시 중국측의 설계방안이 가장 우수하다고 판단한 미국에너지부는 자국의 2개 실험방안을 전부 포기하고, 그 대신 미국과학자가 다야완 실험프로젝트에 합류하도록 지원하였다. 현재 이 프로젝트는 중미양국의 기초연구분야 최대 규모의 협력과제이며 미국에너지부가 해외에 투자한 제2위의 입자물리실험프로젝트로, 유럽의 대형강입자충돌기(LHC) 다음간다. 바이춘리(白春禮) 중국과학원 원장은 대형과학장비 가동식에서 기초과학분야의 국제협력 강화와 국가 기초연구분야의 창의적인 원천기술능력 향상에 있어서 다야완중성미자실험프로젝트가 지니는 의의가 깊다고 언급한바 있다. 중국과학원 고에너지연구소의 연구자는 희토류 화학 및 방사화학분야의 노하우를 바탕으로 새로운 화학배합방법과 화학제조방정식을 고안해냈고 소규모 테스트와 4톤의 확대시험을 마친 후 180톤을 생산하는 등 양산화에 성공하였다. 다야완의 중국측 연구자가 현재 한국의 중성미자실험 역시 중국의 배합방법을 사용하고 있다고 밝힐 정도로 중국의 화학배합방법이 선진국 수준임을 시사해준다.

고에너지물리연구소 BEPCII 비상용 캐비티 연구진전

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중국과학원 고에너지물리연구소는 7월 7일부터 8일새벽까지 북경양음전자충돌기(BEPCII) 비상용 캐비티중 두 번째 캐비티에 대한 수직측정을 마쳤다고 밝혔다. 4.2K의 조건에서 캐비티 전압은 2.3MV, 캐비티의 품질계수는 Q0=1.2E+9에 도달하여 설계요구(캐비티 전압 1.5MV, 캐비티 품질계수 Q0=5E+8)보다 우수하며 첫 번째 비상용 캐비티의 측정지표(캐비티 전압 1.8MV, 캐비티 품질계수 Q0=1.12E+9)를 초과하여 국제선진수준에 도달하였다. 이는 올해 들어서 첫 번째 비상용 캐비티의 수직측정에 성공한데 이은 또 하나의 중요한 진전이다. 초전도 캐비티 주파수의 포집· 록킹(locking)에 성공하였고 각종 표준화측정과 Q0~Eacc특성에 대한 측정을 마쳤다. 두 번째 비상용 캐비티의 수직측정결과는 고에너지물리연구소의 500MHz초전도 캐비티 몸체의 연구제작수준을 크게 높였으며 BEPCII 초전도 비상용 캐비티의 고출력시험에 필요한 중요한 기반을 다졌다.

서안광학정밀기기연구소 마이크로나노광자학 연구 진전

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마이크로나노광자학은 주로 마이크로나노스케일의 광학과 물질과의 상호작용 법칙 및 빛의 발생, 전송, 조절제어, 측정, 감지 등에서의 응용을 연구하는 학과이다. 마이크로나노광자학 서브파장부품은 광자 집적도를 효과적으로 높일 수 있어 전자칩과 같이 광자부품을 사이즈가 매우 작은 단일 광학칩에 집적시킬 가능성이 있다. 새로운 마이크로나노광자학 영역에 속하는 나노표면플라즈마학은 주로 금속나노구조에서 빛과 물질과의 상호작용을 연구한다. 사이즈가 작고, 속도가 빠르며 회절 한계를 극복할 수 있어 전자학과 광자학을 나노스케일에서 완벽하게 결합시킨 차세대의 창의적인 광전기술기반으로 각광받고 있다. 금속-매체-금속 F-P 캐비티(Cavity)는 가장 기본적인 나노 플라즈마 도파(Waveguide)구조로서 로컬필드(Local field) 강화와 공진필터의 특성을 지니고 있어 나노필터, 파장분할 다중화기(WDM), 광스위치, 레이저 등 마이크로나노 광부품을 만드는 기초이다. 하지만 나노플라즈마구조가운데 금속 캐비티 고유의 손실과 에너지 반사로 인해 F-P캐비티는 파장분할 다중화기 응용에서 투과효율이 낮은 관계로 실제로 응용하기에 불편하다. 이러한 문제점에 비추어 중국과학원 서안광학정밀기기연구소 순간광학 및 광자기술(transient optics and photonics) 국가지정중점실험실의 리우쉐밍(劉雪明), 루화(陸華), 궁융캉(宮永康) 연구원 등이 관련 연구를 추진했다. 현재까지 Optics Express, Optics Letters, J. Opt. Soc. Am. B, Applied Physics B 등 저널에 10여편의 논문을 발표했다. 최근 연구원은 표면플라즈마 F-P 캐비티 파장분할 다중화기의 투과효율을 높이는 더블 캐비티 역방향 간섭상 제거법을 고안해냈다. 이 방법은 캐비티의 에너지반사를 효과적으로 극복할 수 있어 입사광이 완전히 채널쪽으로 투과 가능하며 투과효율을 극대화하였다. 이 설계방법은 소음광의 피드백도 효과적으로 억제하는 효과를 보았다. 한편으로 연구팀은 결합모드방법을 응용해 이러한 설계방법의 타당성을 검증하였다. 이 파장분할 다중화기는 현재 보도된 F-P 단일 캐비티 공진필터 기반의 파장분할 다중화기의 투과효율을 50%이상 높인 것으로 나타났다. 연구논문은 2011년 6월 20일 Optics Express에 발표되었다. (논문제목: Enhancement of transmission efficiency of nanoplasmonic wavelength demultiplexer based on channel drop filters and reflection nanocavities) 이 논문은 미국광학학회(Optical Society of America, OSA)의 주목을 받았고 6월 27일에 “Image of the week”로 선정되었다.

중국과기대 다중금속 나노튜브 및 복합나노촉매제 설계 및 제작 진전

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환경의식이 강화되고 자연자원에 대한 인식이 깊어지면서 화석에너지 등 재생불가능자원에 대한 의존도를 줄이기 위한 저오염 고효율 연료전지의 연구가 주목받고 있다. 하지만 연료전지촉매제의 비용이 높고 반응활성이 낮으며 안정성이 떨어지는 등의 단점으로 인해 산업화응용이 제약받고 있다. 최근 몇 년 중국과기대의 위수훙(兪書宏)교수가 이끄는 과제팀은 촉매제의 계면작용 및 표면원자구조와 성분에 대한 조절제어를 통해 타당한 신형의 촉매제 재료설계의 새로운 경로를 모색하였고, 연료전지 나노촉매제의 계면과 표면설계에서 성과를 올렸다. 관련 연구결과는 Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Chem. Sci., Adv. Mater., ACS Nano, Chem. Commun., J. Mater. Chem. 등 많은 저널에 발표되었다. 금속/산화물계면은 전자구조가 변화되기에 촉매제의 촉매활성이 효과적으로 높아진다. 하지만 전기화학적 환경에서 非귀금속의 서로 다른 산화상태의 촉매활성에 미치는 영향에 대해서는 검증하기 매우 힘들며 동시에 촉매제의 전기화학적 산화환원반응활성을 높이고 과산화수소의 부식을 극복하며, 불완전 환원으로 인한 에너지손실은 모두 시급히 해결해야 할 문제로 나서고 있다. 이러한 배경에서 연구팀은 셀프지원형(self-supporting) 다중금속 촉매제 나노튜브의 제조기술을 발전시켰고 Pd-Au-Cu 성분의 신형의 나노입자튜브 촉매제를 합성하는데 성공하였다. 이 촉매제는 높은 비표면적과 전기화학적 활성을 지닌다. Pd-Cu 성분비교결과 금(Au)을 첨가하면 구리(Cu)원소의 산화동의 형성을 촉진하지만 금(Au) 원소를 첨가하지 않으면 Pd-Cu 성분은 산화제일동을 형성하는 경향이 강한 것으로 나타났다. 연구를 통해 산화동은 산소흡착에 더욱 유리하며 게다가 전자수송의 매개체로서 산화환원능력을 높인다는 것을 발견하였다. 또한 이 3차원 촉매제는 과산화수소의 환원에 대한 촉매작용이 뛰어나며 과산화수소에 대한 내부식성도 띤다는 것도 발견하였다. 따라서 촉매제는 산소환원과 과산화환원의 이중기능을 지니며, 산소/과산화 환원의 촉매제로 삼을 수 있어, 산소가 수용액에서 용해도가 한정된 문제(과산화수소는 용액에서 매우 높은 농도를 유지할 수 있음)를 극복하였고 촉매효율을 높였다.(그림1,2) 이 연구성과는 영국 ‘화학통신’과 독일 ‘응용화학’(Chem. Commun. 2010, 46, 940-942; Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 9149-9152)에 발표되었다. 연구팀은 계면 제어성 Pd-Au 나노입자튜브촉매제를 설계하여 귀금속 계면의 촉매활성에 미치는 영향을 연구하였다. 이 촉매제는 전기촉매 에틸알코올 산화의 촉매활성을 뚜렷이 높였고 강한 안정성을 나타내었다. 연구결과, 전기촉매활성의 제고는 독립된 금속성분과는 직접적인 선형 비례관계를 나타내지 않으나 바이메탈(쌍금속) 이질계면과는 직접적인 관계가 있음을 발견하였다. 금(Au)성분이 증가되고 계면의 수량이 증가되면서 금속-금속계면과 표면의 전자구조가 변화되기에 촉매제의 전기촉매활성에 영향을 미쳤다. 따라서 재료설계를 통해 촉매활성이 높아지는 근본적인 원인이 전자구조의 변화(계면작용)로 인한 것임을 실험으로 입증하였다. 이러한 효과는 촉매활성과 계면구조간의 관계를 이해하는데 도움이 되며 고효율 촉매제 재료를 설계하는데 근거와 참조가 된다. 관련 연구성과는 미국화학회 ACS Nano 2011, 5, 4211-4218에 발표되었다. 연구팀은 또 멀티스텝 템플릿방법을 고안하여 최초로 셀프지원형 Pt 나노선/박막의 거시적 제작을 하였고(macroscopic quantity preparation), 연료전지촉매제 재료로서의 Pt박막의 탁월한 성능을 선보였다.(그림3,4) Pt 나노선/박막의 산화환원촉매활성은 각각 Pt/C와 Pt 블랙의 2.1와 1.8배이다. 상용화된 촉매제와 비교하였을 때 셀프지원형 Pt나노선/박막 촉매제는 안정성을 크게 높였으며, 고효율 양성자 교환막 연료전지의 개발을 위한 기반을 다졌다. 이 연구는 독일의 ‘선진재료(Adv. Mater)’(Adv. Mater. 2011, 23, 1467-1471)에 의해 ‘매우 중요한 논문’으로 평가되었다.