중국과학원 해양연구소 및 해양거대과학연구센터 연구팀은 공동으로 서태평양 심해 열수 지역에서 초임계 이산화탄소를 발견하였다. 해당 자연계 최초의 초임계 이산화탄소 발견은 생명기원 연구에 새로운 시사점을 제공하였다. 해당 성과는 “Chinese Science Bulletin” 영문판 표지논문으로 게재되었다.
“커쉐(科學)”호 과학탐사선의 2016년 심해 열수 항차에서 연구팀은 1,400m 심해 열수 지역에서 초임계 이산화탄소 함유 유체를 분출하는 열수분출공을 발견하였다.
온도와 압력이 각각 31℃, 7.3MPa를 초과할 경우 이산화탄소는 초임계 유체 위상상태로 존재한다. 초임계 이산화탄소는 기체상태 성질뿐만 아니라 액체상태 성질도 보유하기에 유기물을 빠르게 용해시킬 수 있다.
연구팀은 초임계 이산화탄소 함유 열수 유체에 대량 질소가 존재함을 발견하였다. 이외 열수 유체는 일부 미지의 유기화학물질을 함유한다. 분석 결과 심해 열수 지역의 초임계 이산화탄소 및 질소는 주변의 광물질과 결합하여 유기물 생성을 촉매함으로써 무기에서 유기로의 전환 과정을 실현하는 것으로 나타났다.
연구팀은 상기 연구 성과에 기반하여 새로운 지구 생명기원 가설을 제안하였다. 구체적으로 지구 초기 원시 대기에 100대기압을 초과하는 이산화탄소가 존재하였고 원시 해양이 형성된 후 해양과 대기 경계면에 초임계 이산화탄소층이 형성되어 대량 질소를 축적되었으며 해수 및 해수면 위에 노출된 암석의 광물과 결합되어 유기물 생성을 촉매함으로써 지구 초기 생명의 근원이 되었을 것이라는 설이다.

중국과학기술대학교 허페이(合肥)마이크로스케일물질과학국가연구센터 차오전화(乔振华) 연구팀은 협력 기관과 공동으로 이론적으로 저차원 시스템 고차 위상 절연체를 예측하는 연구에서 획기적인 성과를 달성했다. 해당 성과는 “Physical Review Letters”에 게재되었다.
위상 양자 시스템은 현시대 응집물질물리학에서 핫한 연구 분야이다. 최근, 대칭성과 재료 데이터베이스를 결합한 고플럭스 계산을 통해 수십 가지의 2차원 위상 절연체 재료가 발표되었다. 그 중, 대부분의 이미 발견된 재료 시스템은 상술한 두 가지 이론 모델로 효과적으로 설명할 수 있다. 위상 절연체 개념의 지속적인 보급에 따라, 2차원과 3차원 층상 재료 시스템에 광범위하게 존재하는 새로운 위상적 상(Topological phase)이 지속적으로 발견되었다.
최근의 이론적 연구는 위상적 상을 고차원으로 확장시켰다. N차원 고차 절연체의 N-1차원 경계는 여전히 절연되었지만 N-2차원의 가장자리 또는 모서리에는 위상의 보호를 받는 전자상태가 있다. 2차원 고차 위상 절연체에 있어서, 전자는 경계에서 전달될 수 없지만 두 변이 교차하는 모서리에서 제로 에너지의 전자상태가 나타날 수 있다. 그러나 이러한 2차원 고차 위성 절연체는 응집물질 시스템에서 아직 구현되지 않았다.
연구진은 1차에서 2차 위상 절연체 조종을 구현하는 새로운 방안을 제안하였다. 즉, 2차원 1차 위상 절연체에서 평면 내 자기 모멘트를 유도함으로써 2차원 2차 위상 절연체를 구현한다. 1차 위상 절연체는 시간 반전 대칭성 보호를 받지만 평면 내 자기 모멘트의 출현은 해당 대칭성을 파괴하여 위상 절연체를 평범하게 만든다. 아울러, 전도성 경계상태도 대칭성 파괴 때문에 절연되어 전도성을 상실하며 두개 절연 경계 교차점에서 제로 에너지 전자상태가 나타난다.

중국과학원 다롄(大连)화학물리연구소 차오보타오(乔波涛)/장타오(张涛) 연구팀은 단일원자 촉매 히드로포르밀화(hydroformylation) 연구에서 최초로 반응 결합 방법으로 생성물의 구역 선택성을 조절하는 방법을 발견했다. 해당 방법은 아무런 리간드도 첨가하지 않는 조건에서, 수증기 변환 반응과의 결합을 통해 스티렌(styrene)을 높은 선택성으로 3-페닐프로판올(3-phenylpropanal)로 전화시킬 수 있으며 노말(normal)과 아이소(iso) 비율은 3:1에 달했다. 해당 성과는 “AngewandteChemie International Edition”에 게재되었다.
올레핀(olefin)과 합성가스의 히드로포르밀화 반응을 통한 알데히드(aldehydes) 정밀 화학물질 제조는 화학공업 생산에서 가장 중요한 균일 촉매 공정이다. 고전적인 히드로포르밀화 조건(수소가스를 수소공급원으로 사용)에서 사슬모양 올레핀과 비교하는 경우, 스티렌계 기저물질은 벤젠고리의 전자적 효과로 인해 히드로포르밀화 반응에서 분기 알데히드(branched aldehyde)를 생성하기 쉽다. 시스템에 더 복잡한 여러 자리 유기인 리간드를 첨가해야만 높은 구역 선택성의 선형 알데히드 생성물을 획득할 수 있다. 이러한 유기인 리간드는 높은 가격과 보다 복잡한 제조 공정 때문에 실제 응용을 제한한다. 따라서 스티렌계 기저물질에 대한 히드로포르밀화 반응의 구역 선택성을 제어하는 새로운 방법을 탐색하는 것은 매우 매력적이고 도전적이다.
연구팀은 Rh1/CeO2SAC를 촉매제로 할 경우 아무런 유기인 리간드를 첨가하지 않는 고전적 히드로포르밀화 조건에서 스티렌 히드로포르밀화의 노말과 아이소 비율이 ≤1임을 발견했다. CO, 물 및 스티렌을 출발물질(starting materials)로 사용하고 수증기 변환 현장 수소생성을 통해 수소를 공급할 경우, 생성물 알데히드의 노말과 아이소 비율은 3에 달할 수 있다. 연구팀은 일련의 대조 실험을 통해 상술한 현상은 수증기 변환으로 생성한 현장 수소가 반응 중간체의 안정적인 구조를 파괴시키고 아이소프로판올(isopropanol)을 선택적으로 생성하는 경향이 있는 반응 메커니즘을 억제하여 더 높은 노말과 아이소 비율을 초래하기 때문이라고 추정한다. 또한, CeO2 부하의 Rh 나노 촉매제를 상술한 일련의 촉매 시스템에 사용할 경우, Rh 단일원자 촉매제와 비교하여 생성물은 페닐프로판올 (phenylpropanol)이며 여전히 노말 생성물을 위주로 한다. 균일Rh(로듐) 촉매제는 촉매 수증기 변환 능력이 약하여 일련의 시스템에서 아주 낮은 활성을 나타낸다.
해당 연구는 히드로포르밀화 구역 선택성을 제어하기 위한 새로운 아이디어를 제공함과 아울러 다양한 균일 촉매 이질성을 위한 참조를 제공한다.

베이징대학교 정보과학기술대학 전자학부 펑차오(彭超) 연구팀은 미국 매사추세츠공과대학교, 펜실베이니아대학교 등의 연구팀과 공동으로 토폴로지광자학 관점에서 단일층 실리콘 기판 위에서 반사경에 의존하지 않는 방향성 복사를 구현하는 방법을 제안하였다. 해당 성과는 “Nature”에 온라인으로 게재되었다.
단일 방향 복사는 대규모 광자집적 및 광자칩 개발의 핵심기술로서 고성능 격자결합기(grating coupler), 고에너지효율 레이저 및 레이저레이더 광학안테나 등에 광범위하게 응용된다. 기존 대부분 분산식 브래그 격자 반사경, 금속 반사경 등 거울면 반사를 통해 달성하지만 온칩 집적시 반사경 부피가 크고 구조가 복잡하며 가공이 어려울 뿐더러 부가적 소모 및 색분산을 동반하는 문제가 존재한다.
집적광자장치 연구에서 해결이 시급한 상기 핵심문제를 감안해 연구팀은 위상학적 전하(topological charge) 제어로부터 접근해 광자결정(photonic crystal) 평판에서 단일 방향 복사의 특수 공명상태 즉 단일 방향 복사 도파모드 공명상태를 구현하였다. 일차원 광자결정에서 경사 측벽을 통해 구조 수직적 대칭성 및 면내 대칭성을 동시에 파괴시킴으로써 시스템 중 연속영역 속박상태가 보유되는 정수 위상학적 전하를 한 쌍의 반정수(half integer) 위상학적 전하로 분열시킴과 아울러 평판 상하 양측 표면에 크기가 다른 복사를 형성한다.
이때 대칭성 파괴를 유지하는 한편 매개변수 조절을 통해 한쪽 표면의 짝을 이룬 반정수 위상학적 전하를 정수 위상학적 전하로 재합병함으로써 거울면에 의존하지 않는 1개 표면만 향하는 복사에너지의 단일 방향 복사 도파모드 공명상태를 형성한다. 연구팀은 자체적으로 개발한 경사 식각 공법으로 샘플을 제조하였다. 실험에서 관측한 비대칭 복사비는 27.7데시벨에 달했는데 이는 99.8% 이상의 광자에너지가 한쪽으로 방향성 복사되며 기존 설계에 비해 1~2개 수량급 향상된 것으로 단일 방향 복사 도파모드 공명상태의 유효성 및 우월성을 입증한다. 해당 기술은 온칩 광포트의 삽입 소모를 뚜렷이 줄이고 고밀도 광연결 및 광자칩 기술의 발전을 크게 촉진시킬 전망이다.

중국과학원 남중국해해양연구소 상샤오둥(尚晓东) 연구팀은 세계 최초로 해양 열플럭스를 측정했다. 해당 성과는 “Act a Oceanologica Sinica”에 게재되었다.
해양-대기 결합 계면의 대기 경계층 관측 기술은 이미 성숙되어 해양-대기 플럭스 연구에 중요한 기여를 하고 있다. 그러나 해양 표면 경계층의 열량 수송 데이터는 여전히 불분명하다. 다시 말해서 대기, 태양 복사 등 해양에 유입되는 열량 및 해양이 다시 대기에 공급하는 열량이 얼마인지는 여전히 불분명하다. 기존에 해양 표면 경계층의 열플럭스를 직접 측정할 수 있는 관측기기가 없는 탓으로 관측기술 및 방법이 제한적이었다.
연구팀은 지금까지 세계적으로 응답 속도가 가장 빠른(응답 시간 7ms) 해양 탐측 쾌속 온도 센서를 개발했다. 이를 기반으로, 10여 년의 연구를 거쳐 중국과학원 연구 장비 개발 첨단 프로젝트A의 지원을 받아 자체적으로 해양 열류계를 개발했다. 연구팀은 해당 열류계를 이용하여 산야(三亚) 근해안과 중국 난하이 북부에서 세계 최초로 수중 열플럭스 데이터를 측정하였다. 또한, 풍랑구 해양 난류 소용돌이가 열플럭스 수송에 미치는 작용을 분석하였으며 수직방향 난류 플럭스(열플럭스와 운동량 플럭스)와 조석 간의 관계를 연구했다.
연구 결과, 수직방향 난류 플럭스 수송을 지배하는 난류 소용돌이의 수평 스케일은 해양 표면 중력파보다 작았다. 해당 난류 소용돌이가 열플럭스와 운동량 수송에 미치는 작용 뚜렷한 차이를 보였다. 난류 소용돌이가 열플럭스 수송에 미치는 작용의 수평 스케일은 운동량 수송에 미치는 작용의 약 2배이다. 저조기에 난류 열플럭스가 피크치를 나타내고 퇴조기에 난류 운동량이 피크치를 나타내며 난류 플럭스는 일일조 및 반일조와 모두 밀접한 상관성을 나타낸다.

중국과학기술대학교 마청(马骋) 연구팀은 중국 및 해외 연구팀과 공동으로 투과전자현미경(Spherical Aberration-Corrected Transmission Electron Microscope)을 이용하여 일종의 특이한 비주기성 구조를 직접 관측하였다. 해당 관측은 리튬배터리 고체전해질의 이온 수송 메커니즘 연구에서의 중요한 발견이다. 해당 성과는 “Nature Communications”에 게재되었다.
연구팀은 투과전자현미경을 이용한 고전적 고체전해질 리튬-란타늄-티타늄 산화물(LLTO) 관측에서 대량의 단일 원자층 결함을 발견했다. 이러한 결함은 결정립계, 적층 결함 등과 같은 기존에 알려진 비주기성 구조와 달리 화학 성분, 원자 배열이 리튬 란타늄 티타늄 산화물(LLTO)과 다른 단일 원자층 물질로 조성되며 특정 결정학적 방향에 따라서만 나타난다. 이런 미세 특성은 관측된 단일 원자층 결함이 종종 서로 연결되어 폐쇄 회로를 형성하도록 한다.
이러한 비주기성 구조는 단일 원자층이 구축한 “성”과 같아서 내부의 리튬 이온은 빠져나올 수 없고, 외부의 리튬 이온은 들어갈 수 없다. 따라서 비록 이들 자체는 하나의 원자층 두께지만 재료의 상당 부분이 이온 수송에 참여하는 것을 막을 수 있어 재료 전체의 리튬 이온 수송 효율을 대폭 감소시킨다.
투과전자현미경의 관찰 결과를 기반으로, 연구팀은 이론적 계산을 통해 이러한 결함이 단지 하나의 원자층 두께임에도 불구하고 특수한 원자 구성이 리튬 이온의 수직 방향 통과를 완전히 막을 수 있음을 입증하였다. 따라서 이들이 서로 결합하여 폐쇄 회로를 형성한 후, 리튬 이온은 결함에 의해 폐쇄된 공간에 들어가거나 공간을 벗어날 수 없기 때문에 이 부분 재료는 전체 이온 수송에서 격리된다. 전자현미경으로 해당 현상이 샘플에 대량 존재함을 확인하였고 따라서, 이온 전도율이 1~2개 수량급 감소한다.
연구팀은 이러한 독특한 비주기성 구조를 “단층벽 리튬 함정”이라고 명명하였다. 해당 발견은 결정립계, 결점 결함 이외의 비주기성 구조도 이온 수송에 큰 영향을 미칠 가능성이 있다는 것을 의미한다. 기타 중요 시스템에서도 유사한 연구가 절실히 필요하다.

중국과학원 화학연구소 쑹옌린(宋延林) 연구팀은 자기장으로 2개 강구(steel ball)를 제어하는 방식을 통해 최초로 액적에 대한 절단, 이동, 방출, 회전 등 다양한 동적거동 제어를 구현하였다. “액적로봇”이라 명명된 해당 시스템은 화학반응 자동화 분야에 밝은 잠재력이 전망된다. 해당 성과는 “Science Advances”에 게재되었다.
액적 제어는 일상생활과 산업생산에 중요한 응용가치가 있다. 냉각/온도 낮추기, 결빙방지부터 미세유체제어, 물 수집에 이르기까지 모두 액적거동 정밀제어를 떠날 수 없다. 하지만 기존의 대부분 연구는 간단한 액적 이동거동 밖에 구현하지 못한 상황으로서 실제 응용 중의 복잡한 수요를 충족시키기는 어렵다.
연구팀은 자기장으로 2개 강구를 제어해 액적을 조종하였다. 자기장 조절을 통해 강구의 위치 및 중심거리를 변화시킬 수 있는데 강구 중심거리 변화는 액적이 받는 저항력을 재분배할 수 있는 원인으로 다양한 액적 동적거동 구현이 가능하다.
실험에서 연구팀은 다양한 액적거동 제어 메커니즘 분석을 통해 액적 이동시의 저항력은 주로 2개 강구의 전방 삼상선과 후방 삼상선에서 유래하며 강구 중심거리 변화는 상기 2개 부위 저항력의 변화를 발생시킨다고 주장한다.
중심거리가 알맞을 경우 전후방의 저항력은 상호 어우러져, 액적은 강구에 끌려 움직이게 되고 따라서 액적 이동거동이 발생한다. 또한 자기장을 조절해 강구를 회전시켜 액적 회전거동을 구현할 수도 있다.
연구팀은 공기 중 물방울 조종방법을 다양한 시스템에 확장시켰다. 강구에 대한 친수처리 후 공기 중 물방울 조종 외에 오일 중 물방울 조종도 가능하다. 초소수성(superhydrophobicity) 처리를 거친 강구는 수중에서 유적(oil droplet) 및 기포를 조종할 수 있다. 이러한 조종방법은 수직 표면, 반폐쇄 도관 등 복잡계 표면 및 유한공간에서도 활용될 수 있다.
해당 액적 조종방법은 자동화 화학반응에 이용될 수 있다. 아울러 동 방법으로 고체 과립을 수집하고 도관 내 이물질도 제거할 수 있는 등 임상의학 분야에 잠재적 응용가치가 있다.

중국과학기술대학교 가오민루이(高敏锐)/위수훙(俞书宏) 연구팀은 “농축” 효과를 보유한 일련의 나노 촉매제를 개발하여 이산화탄소의 목표 생성물로의 고선택성 전환을 달성했다. 해당 성과는 “German Applied Chemistry”와 “Journal of the American Chemical Society”에 온라인으로 게재되었다.
이산화탄소 전환 기술은 대기의 이산화탄소 농도를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 많은 고부가가치의 탄소 기반 연료를 얻을 수 있다. 상온 상압에서도 가능한 전기 촉매 이산화탄소 환원 기술은 인위적인 탄소순환 폐합이 가능한 장점을 보유하여 재생에너지의 이용과 화학 연료 합성을 위한 응용 전망이 있다. 보다 효율적인 촉매제의 합리적 설계와 제어 가능한 합성 및 촉매 메커니즘에 대한 파악을 통해 이산화탄소 전기 환원 기술의 산업화 응용을 달성하는 것이 연구의 중점이며 주요 어려움이다.
연구팀은 나노니들팁의 “인접 효과”를 제안하여 이산화탄소의 전기 환원 과정을 촉진시키고 스마트 마이크로파 반응기의 고플럭스 선별을 통해 황화카드뮴 나노니들 어레이 구조를 구축했다. 연구 결과, 니들팁 사이의 거리가 감소함에 따라 칼륨 이온 농축이 부단히 강화되었다. 플로우 셀 테스트 결과, 이러한 멀티나노니들팁 황화카드뮴 촉매제는 “인접 농축 효과”로 인해 그 성능이 기타 전이 금속 칼코겐화물 전기 촉매제보다 훨씬 우수하다.
연구팀은 나노멀티니들팁의 “인접 효과”를 이용하여 달성한 표적 이온의 농축을 기반으로, 나노 캐비티의 “제한 효과”를 이용하여 반응 중간체를 농축함으로써 이산화탄소에서 다탄소 연료로의 효율적 전환을 달성했다.
해당 연구 성과는 이산화탄소 전기 환원 반응에서 촉매제 나노 구조 설계가 촉매 성능에 중요한 영향을 미치며 나노 스케일 “농축 효과”는 핵심 중간체의 흡착을 효과적으로 향상시켜 반응의 효율적 작동을 추진함을 설명한다. 이러한 새로운 설계 이념은 향후 관련 전기 촉매제의 설계와 고부가가치 탄소 기반 연료의 합성을 위한 새로운 아이디어를 제공한다.

중국과학기술대학교 공정과학대학 및 중국과학원 재료역학거동·설계중점실험실 연구팀은 고체-액체 계면 모세관힘(capillary force)의 미시적 기원을 연구해 액적 접촉선 부위 로드 밸런스(load balance) 작용 메커니즘을 규명함으로써 역학적 차원에서 영의 방정식(Young’s equation)을 합리적으로 해석하였다. 해당 성과는 “Physical Review Letters”에 게재되었다.
1805년에 영국 과학자 토머스 영(Thomas Young)이 적심(wetting) 및 모세현상 연구시 계면장력과 접촉각의 정량적 관계를 기술하였다. 200여 년간 영의 방정식은 적심 분야의 가장 기본적인 이론이 되었다. 비록 열역학 에너지 최소화 방법에 기반해 동 방정식을 도출할 수 있지만 연구자들은 영의 방정식 역학적 해석에 주력하였고 또한 나노 규모에서 그 유효성을 검증하고자 하였다. 해당 분야에는 아직도 해결해야 할 핵심 과학문제가 많이 남아있다. 1)액적 동역학 제어의 핵심요소이며 고체-액체-기체 3상 접촉선 부위에 작용하는 모세관힘은 영의 방정식에서 명확하게 체현되지 않았고 또한 계면장력 개념과 혼동되기 쉬우며 2)실험에서 고체-액체, 고체-기체 계면장력 정확 측정이 어려워 영의 방정식 검증은 논쟁의 여지가 많다.
이를 해결하기 위해 연구팀은 미시적 차원에서 계면장력의 물리적 의미를 심층 분석함과 아울러 분해를 통해 고체-액체-기체 3상 접촉선 부위 모세관힘 정량적 묘사가 가능한 새 방법을 찾음으로써 해당 모세관힘과 계면장력 간 구별 및 연계를 더한층 명확히 하였다. 이에 기반해 연구팀은 액적 접촉선 부위 모세관힘 균형을 묘사할 수 있는 이론모형을 구축함과 아울러 영의 방정식 역학 해석을 제시하였다. 동 이론은 분자동역학 시뮬레이션 결과의 검증을 받았다. 연구 결과 접촉각이 작은 상황에서 고체-액체, 액체-기체 계면의 접촉선 부위에 중첩이 존재하였고 고체 표면 액체의 유질서 층상구조는 모세관힘에 중요한 영향을 미쳤다.
해당 연구는 많은 계면 적심 현상 심층적 이해에 새로운 인식을 제공하였을 뿐만 아니라 마이크로나노 유체역학칩 설계, 저투과 석유저류층 채취율 제고 등 응용 분야에 중요한 과학적 의미가 있다.

관련성이 높은 전자 재료의 바닥상태 에너지는 규모가 작고 외부 매개변수에 상대적으로 민감하여 양자 상태 제어를 쉽게 달성하고 양자 상전이를 유도한다. 기존의 연구에서, 반강자성 양자 임계점이 밀접한 상관관계 전자 시스템에 광범위하게 존재함이 밝혀졌지만 강자성 양자 임계점의 존재에 대한 확실한 증거가 부족하다. 또한, 일부 주장에 의하면 특이 금속 거동은 반강자성 양자 임계점 부근에서 서로 다른 스핀 방향의 두 가지 전자의 양자 얽힘 효과에서 비롯되며 스핀 방향이 단일한 강자성 재료에서는 발생하지 않는다.
저장(浙江)대학교 위안후이치우(袁辉球) 연구팀은 중페르미온(heavy fermion) 재료 CeRh6Ge4를 연구 대상으로 최적화 제조 조건을 통해 고품질의 단결정 샘플을 합성했다. 인가 압력의 조절 하에 해당 화합물의 강자성 순서는 점차적으로 영도(0°C)로 억제되고 0.8GPa에서 강자성 양자 임계점이 나타났다. 또한, 단결정 샘플의 온도가 0°C에 가까워질 경우 저항은 온도에 따라 선형 변화되고 비열계수는 온도에 따라 로그 발산되며 뚜렷한 특이 금속 거동을 나타냈다. 해당 연구는 최초로 순수한 강자성 재료 시스템에서 양자 임계점 존재의 확실한 실험 증거를 발견하고 강자성 양자 임계점 부근에서 뚜렷한 금속 특이 거동을 관찰함으로써 강자성 양자 상변화를 심층 연구하고 특이 금속 거동을 밝히기 위한 새로운 방향을 제시했다.