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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.

약 3억 년 전 “식물폼페이”에서 좌선성 전요식물 화석 발견

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.

최초로 나선형 카이랄성 탄소나노튜브 단편 합성

중국과기대 두핑우(杜平武) 연구팀은 최초로 나선형 카이랄성 탄소나노튜브 단편을 합성함과 아울러 해당 단편의 원편광 발광(Circularly polarized luminescence, CPL) 성질에 대한 심층 연구를 수행했다. 해당 성과는 “AngewandteChemie”에 게재됐다.
탄소나노튜브 재료는 뛰어난 기계적, 전기학적 및 광학적 성질을 보유하고 있기에 나노과학기술 및 전자학 분야에서 매우 주요한 역할을 한다. 하지만 전통적인 제조 방법은 탄소나노튜브 성장을 제어하기 어렵기에 금속 나노튜브 및 반도체 나노튜브의 무작위 혼합물만 획득할 수 있다. 유기화학적 상향식 합성 방법은 고순도 탄소나노튜브를 제조하는 이상적인 방법이다. 튜브모양 비평면 공액 대환식 화합물은 큰 π 시스템, 확정된 크기 및 형태를 보유하고 있기에 관심사로 떠오르고 있다. 또한 사슬 말단 효과(Chain-terminal effect)가 존재하지 않을 뿐만 아니라 높은 대칭성 및 변형에너지를 보유하고 있기에 π 공액 대환식 화합물은 탁월한 광전기학적 성질을 나타낸다. 따라서 유기 광전기 분야에서 거대한 응용 잠재력을 갖고 있다. 특히 큰 비대칭 인자 및 높은 PL 양자 수율을 보유한 카이랄성 공액 대환식 화합물은 카이랄성 광학 분야에서 응용의 이상적인 선택이다. 하지만 특정된 크기 및 지름을 보유한 전체 π 공액 카이랄성 나노튜브 단편 제조는 어려움으로 되고 있다.
연구팀은 초기단계의 탄소나노튜브 새 구조 합성 및 광물리학적 성질에 대한 연구를 기반으로 안트라센을 다환방향족탄화수소의 구조 유닛으로 교묘하게 이용하여 최초로 나선형 카이랄성 탄소나노튜브 단편을 합성했다. 그 다음 자외선 가시광선, 형광, 핵자기공명, 원이색성 및 CPL 스펙트럼을 이용하고 이론적 계산을 결합해 해당 탄소나노튜브 단편의 광물리학적 성질을 연구했다. 평면 안트라센 단량체에 비하여 해당 카이랄성 π 공액 대환은 흡수 스펙트럼 및 발광 스펙트럼에서 뚜렷한 적색편이를 나타냄과 아울러 매우 강한 원편광 발광을 나타내는바 기존의 가장 좋은 CPL 활성재료에 비하여 성능이 100배 이상 향상됐다.
해당 성과는 새로운 나선형 카이랄성 튜브모양 공액 재료를 합성함과 아울러 높은 CPL 활성 재료 설계/제조 및 해당 재료를 템플릿으로 단일 카이랄성 탄소나노튜브를 제조하는데 새 아이디어를 제공했다.

자기밀폐핵융합에너지연구 특별프로젝트에 2.7억 위안 지출

중국과학기술부는 웹사이트에 국가자기밀폐핵융합에너지개발연구 특별프로젝트 2019년도 신청지침 관련 통지서를 발표했다. 통지서에 의하면 중국은 단계적 실시, 중점 부각의 원칙에 따라 2019년에 11개 우선적 지원 분야에 총 2.7억 위안(한화로 약 448억 3,080만 원)의 비용을 지출할 계획이다.
2019년에 해당 특별프로젝트는 핵융합로 미래과학연구를 목표로 높은 수준의 과학연구, 대규모 이론 및 수치 시뮬레이션, 중국핵융합공정실험로(CFETR) 핵심기술 선행연구 및 핵융합로 재료 연구개발 등을 중점으로 중국 자기밀폐 핵융합에너지 기초&응용 연구를 지속적으로 추진할 예정이다.
핵융합에너지는 자원이 풍부할 뿐만 아니라 오염이 거의 없는 인류사회 미래의 이상적인 에너지원이며 또한 에너지문제 완전 해결에 가장 유망한 근본책이다. 아울러 중국 경제·사회의 지속 가능한 발전에 중요한 전략적 의미가 있을 뿐만 아니라 장기적 발전과도 연관된 기초적 선도 분야이다. 2008년 이래 “국가자기밀폐핵융합에너지개발연구 특별프로젝트”는 국제핵융합실험로(ITER) 핵심기술, 중국 자기밀폐핵융합에너지장치 및 핵심기술 연구개발, 높은 수준의 과학·공학기술 인재양성 등에 중점을 두고 지속적으로 추진되었다.
해당 특별프로젝트의 총체적 목표는 “13차 5개년” 기간에 미래 핵융합로 구축과 관련된 국제 첨단 과학·기술 목표를 노력방향으로 ITER계획 관련 핵융합에너지기술의 연구·혁신을 강화하고, 핵융합에너지 개발·응용의 핵심기술을 발전시키며, ITER계획의 핵심기술을 전면적으로 소화·흡수하는 것이다. 뿐만 아니라 국민경제에서 핵융합 기술의 응용을 확대하고, 중국 핵융합에너지 개발연구의 자체적 혁신능력을 힘써 향상시키며, 안정화된 높은 수준의 핵융합 연구개발 역량을 양성할 방침이다.

실시간 정확한 인체 건강 모니터링 가능한 생체모방 섬유 센서 개발

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.

2022년 전후에 3명 상주 가능한 우주정거장 구축

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.

세계 최초 척추측만증 대규모 인공지능 검사 시스템 개발

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.

최초로 양자 상변화 과정에서의 양자 금속상태 존재 입증

전자과기대 전문가들로 구성된 연구팀은 세계 최초로 고온 초전도 나노 다공성 박막에서 양자 금속상태의 존재를 입증함으로써 양자 금속상태 연구에 새 아이디어를 제공했다. 해당 성과는 “초전도-절연 상변화에서의 보즈(Bose) 금속상태”라는 제목으로 “Science”에 최초 발표(First release) 형식으로 게재됐다.
양자재료 및 양자 상변화는 21세기 응집물질물리학 분야의 연구 핫이슈로 떠오르고 있다. 고온 초전도성이 발견된 이후 2차원 양자 금속상태의 존재 및 그 형성 메커니즘은 지난 30여 년 동안 해결하지 못한 중요한 물리 문제이다. 앤더슨 척도화 이론(Anderson scaling theory)에 의하면 양자간섭 효과 및 위상 간섭성 길이의 0℃에서 발산 특성으로 인하여 캐리어는 절대 0℃에 접근하는 조건에서 국소화 효과가 나타나기에 이론적으로 2차원 양자 금속상태가 존재하지 않는다. 또한 실험적으로 다양한 2차원 초전도 체계에서 가능한 양자 금속상태 경향이 발견됐지만 저임계온도의 제한 및 외계 고주파 잡음이 미치는 영향으로 2차원 양자 금속상태의 존재 여부에 관해서는 아직도 논쟁 중이다.
연구팀은 반응 이온 에칭 시간 조절을 통해 고온 초전도 이트륨 바륨 구리 산화물(Yttrium barium copper oxide, YBCO) 다공성 박막에서 초전도-양자 금속-절연체 상변화를 달성했다. 또한 극저온 수송 테스트를 통해 초전도, 금속 및 절연 해당 3가지 양자상태는 모두 쿠퍼 전자쌍 관련 h/2e 주기의 초전도 양자 자기유도 진동을 보유하고 있음을 발견했고 양자 금속상태는 보즈 금속상태임을 입증했으며 쿠퍼쌍 보존(Boson)이 양자 금속상태 형성에 대하여 주요 역할을 일으킴을 규명했다. 해당 성과는 양자재료에 대한 인식을 개변시킴과 아울러 양자 디바이스(Quantum device) 분야 발전을 추진할 전망이다.

진주모층 모방 격막 개발로 리튬전지 내충격 성능 향상

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

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.