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[퓨처 Eyes(22)] 초전도체 온-오프 스위치 개발, 혁신적 전력·통신 기술 기대
- 미국 과학자들이 온-오프 스위치가 있는 획기적인 초전도체 발견해 에너지 소비 감소의 길을 열었다. 최근 사이테크데일리 보도에 따르면, 워싱턴 대학교와 미국 에너지부(DOE) 산하 아르곤 국립연구소의 물리학자들이 온-오프 스위치 기능을 갖춘 새로운 초전도체를 발견했다. 초전도체는 특정 온도 아래에서 전기 저항이 완전히 사라지는 물질이다. 이 특징은 실제로는 매우 낮은 온도, 즉 절대 온도에 가까운 온도에서 유지되는데, 이를 초전도 상태라고 한다. 초전도체는 일반적으로 금속, 합금, 반도체 등 다양한 물질로 만들어질 수 있으며, 소수의 원자 또는 분자 구조에서 유래하는 특정한 전자-전자 상호작용이 초전도 상태를 유발한다. 따라서 초전도는 물질이 전류를 제로 저항으로 전달할 수 있는 양자역학적 상태로, 완벽한 전기 전송 효율을 가능하게 한다. 초전도체는 자기공명영상(MRI), 입자 가속기, 핵융합 반응로, 자기부상열차(마그레브 열차)와 같은 다양한 첨단 기술에서 강력한 전자석으로 활용된다. 또한, 초전도체는 양자 컴퓨팅 분야에서도 중요한 역할을 한다. 이 연구팀은 외부 자극에 반응하여 조절 가능한 독특한 특성을 지닌 초전도 물질을 개발, 에너지 효율적인 컴퓨팅과 양자 기술 발전에 기여할 수 있는 가능성을 제시했다. 이러한 발견은 첨단 연구 기법을 활용하여 이루어졌으며, 초전도 특성을 미증유의 방식으로 제어할 수 있는 능력을 통해 다양한 산업 응용 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대된다. 해당 물질은 향후 산업용 전자제품에서 초전도 회로로의 응용 가능성을 지니고 있다. 연구팀은 고급 광자 소스를 사용해 이 물질의 희귀한 특성을 검증함으로써 효율적인 대규모 컴퓨팅을 위한 새로운 길을 열었다. 산업용 컴퓨팅에 대한 수요가 증가함에 따라, 이에 대응하는 하드웨어의 크기와 에너지 소비의 증가는 주요 과제로 남아 있다. 이러한 문제에 대한 해결책 중 하나로, 에너지 소비를 크게 줄일 수 있는 초전도 소재의 개발이 주목받고 있다. 거대한 데이터 센터를 운영하는 서버의 온도를 대폭 낮춤으로써, 에너지 효율성을 극대화하여 대규모 컴퓨팅 작업을 수행할 수 있는 가능성을 제시했다. 초전도체란 무엇인가? 초전도체는 저항이 완전히 사라지는 특별한 물질을 말한다. 일반적인 전도체에서는 전기가 흐를 때 내부의 불순물이나 결정 구조 때문에 전자가 충돌하며 에너지를 손실하게 되는데, 이를 전기 저항이라고 한다. 이 저항으로 인해 전기 에너지가 열로 변환되어 손실된다. 그러나 초전도체는 특정 온도(임계 온도) 이하에서 전기 저항이 사라져 전기가 전혀 손실 없이 흐를 수 있게 한다. 초전도 현상은 1911년 헤이케 캄링 온네스에 의해 처음 발견되었으며, 이후 다양한 물질에서 초전도 현상이 관찰됐다. 초전도체는 그 특성으로 인해 많은 고급 기술과 응용 분야에서 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 초전도체를 이용하면 에너지 손실 없이 전기를 전송할 수 있으며, 매우 강력한 자기장을 생성할 수 있어 자기공명영상(MRI) 장비나 입자 가속기, 초전도 자석 등에 활용된다. 초전도체를 만드는 데 필요한 임계 온도는 물질에 따라 다르며, 초기에 발견된 초전도체는 극저온에서만 초전도 현상을 보였다. 그러나 1986년에 발견된 고온 초전도체는 비교적 높은 온도에서도 초전도 현상을 나타내 연구와 응용의 범위를 크게 확장시켰다. 고온 초전도체의 발견 이후, 상온에서 초전도 현상을 나타내는 물질을 찾기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 오늘날의 전자제품은 반도체 트랜지스터를 사용하여 전류를 빠르게 켜고 끄는 방식으로 정보 처리에 사용되는 2진법과 0진법을 생성한다. 이러한 전류는 전기 저항이 유한한 물질을 통과해야 하므로 에너지의 일부가 열로 낭비된다. 이것이 바로 시간이 지남에 따라 컴퓨터가 뜨거워지는 이유다. 초전도에 필요한 낮은 온도(보통 화씨 영하 200도 이상)로 인해 이러한 소재는 휴대용 장치에 사용하기에는 실용적이지 않다. 하지만 산업적 규모에서는 유용할 수 있다. 워싱턴 대학교의 슈아 산체스가 이끄는 연구팀은 뛰어난 조정 능력을 가진 특이한 초전도 물질을 조사했다. 이 결정은 철, 코발트, 비소 원자로 이루어진 초전도 층 사이에 강자성 유로피움 원자가 평평한 시트를 끼워 만든 결정이다. 산체스에 따르면 자연에서 강자성과 초전도를 함께 발견하는 것은 극히 드문 일이며, 일반적으로 한 단계가 다른 단계를 압도하기 때문이다. 산체스는 "초전도 층이 주변 유로피움 원자의 자기장에 의해 뚫리기 때문에 실제로는 매우 불편한 상황"이라며 "이것은 초전도를 약화시키고 전기 저항을 유한하게 만든다"고 말했다. 초전도 기술의 도전과 혁신 산체스는 아르곤에 있는 DOE 과학부 사용자 시설인 미국 최고의 X-선 광원 중 하나인 APS(Advanced Photon Source)에서 1년간 레지던트로 근무했다. 그곳에서 그는 DOE의 과학 대학원생 연구 프로그램의 지원을 받았다. 산체스는 APS 빔라인 4-ID 및 6-ID의 물리학자들과 협력하여 복잡한 물질의 미세한 세부 사항을 조사할 수 있는 포괄적인 특성화 플랫폼을 개발했다. 산체스와 공동 연구자들은 X-선 기술을 조합해 결정에 자기장을 가하면 '유로피움 자기장 선(europium magnetic field line)'이 초전도 층과 평행하도록 방향을 바꿀 수 있다는 것을 보여줄 수 있었다. 이렇게 하면 길항 효과가 제거되고 저항이 0인 상태가 나타난다. 과학자들은 전기적 측정과 X-선 산란 기술을 사용하여 물질의 거동을 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다. 논문의 공동 저자인 아르곤의 필립 라이언은 "초전도를 제어하는 독립적인 파라미터의 특성은 이 효과를 제어하는 완전한 방법을 계획할 수 있다는 점에서 매우 매력적"라고 말했다. 라이언은 "이 잠재력은 양자 장치의 전계 감도를 조절할 수 있는 능력을 포함하여 몇 가지 흥미로운 아이디어를 제시한다"고 설명했다. 그런 다음 연구팀은 결정에 응력을 가하여 흥미로운 결과를 얻었다. 연구팀은 자기장의 방향을 바꾸지 않고도 자성을 극복할 수 있을 정도로 초전도가 증가하거나 자기장의 방향을 바꾸어도 더 이상 제로 저항 상태를 만들 수 없을 정도로 약화될 수 있음을 발견했다. 이 추가 매개변수를 통해 자성에 대한 소재의 민감도를 제어하고 맞춤 설정할 수 있다. 산체스는 "이 물질은 여러 위상 간의 경쟁이 치열하고, 작은 응력이나 자기장을 가하면 한 위상을 다른 위상보다 높여서 초전도를 켜고 끌 수 있기 때문에 흥미롭다"고 말했다. 그는 "대부분의 초전도체는 쉽게 전환할 수 없다"고 강조했다. '전기의 고속도로' 초전도체 전기가 물을 통과하는 것처럼, 초전도체는 전기가 저항 없이 흐르도록 하는 '전기의 고속도로'라고 비유할 수 있다. 마찰 없이 움직이는 완벽한 롤러 스케이트처럼, 초전도체는 에너지 손실 없이 전기를 전달한다. 초전도체의 주요 특징은 다음과 같다. 초전도체는 전기 저항이 0이기 때문에 전류가 손실 없이 흐를 수 있다. 또한 초전도체는 외부 자기장을 완전히 배척하는 마이스너 효과를 나타내며, 외부 자기장에 반대되는 방향의 자기장을 형성하는 반자성을 띠고 있다. 앞으로 활용 분야가 다양한 초전도체는 전기 저항이 없기 때문에 전기를 손실 없이 먼 거리까지 효율적으로 송전하는 데 사용될 수 있다. 초전도체를 활용한 MRI 기계는 강력한 자기장을 생성하여 인체 내부를 상세히 이미징할 수 있는 기능을 제공할 수 있다. 또한, 초전도체를 사용한 마그레브 열차는 마찰이 없어 고속으로 운행될 수 있는 가능성을 제시한다. 마그레브 열차는 자기 부상 기술을 사용하여 레일과 접촉 없이 운행하는 열차다. '마그레브(Maglev)'는 '자기부상(Magnetic Levitation)'의 줄임말로, 강력한 자석을 사용하여 열차를 공중에 띄워 마찰을 거의 없애고 이동한다. 이 기술 덕분에 마그레브 열차는 기존의 바퀴를 사용하는 철도 시스템보다 훨씬 더 높은 속도로 운행할 수 있으며, 소음과 진동이 현저히 줄어들어 매우 부드럽고 조용한 탑승 경험을 제공한다. 마그레브 열차는 전기를 사용하여 강력한 전자기장을 생성하고, 이 전자기장이 열차를 들어 올리고, 추진하며, 안내하는 데 사용된다. 세계 여러 나라에서 이 기술을 연구하고 개발해 왔으며, 중국의 상하이 마그레브 열차와 일본의 초고속 마그레브 열차 시스템 등이 실제 운영되고 있는 대표적인 예다. 상하이 마그레브는 공항과 도심을 연결하는 노선으로 사용되며, 시속 430km에 달하는 속도로 운행된다. 양자 컴퓨팅 분야에서는 초전도체가 초전도 비트(큐비트·qubit)의 생성에 필수적인 역할을 한다. 큐비트 또는 퀀텀 비트는 양자 정보시스템에서 사용되는 최소 정보 단위로 0이나 1 뿐만 아니라 0과 1 어느 쪽도 확정 지을수 없는 상태까지 표현가능하다. 비록 초전도체 기술이 개발 초기 단계에 있지만, 이 기술은 미래 사회에 중대한 변화를 가져올 수 있는 높은 잠재력을 지니고 있다. 참조: '스트레인 전환 가능한 전계 유도 초전도' 작성자: Joshua J. Sanchez, Gilberto Fabbris, 최용성, Jonathan M. DeStefano, Elliott Rosenberg, Yue Shi, Paul Malinowski, Yina Huang, Igor I. Mazin, 김종우, 주준호 및 Philip J. Ryan, 2023년 11월 24일, 사이언스 어드밴시스. DOI: 10.1126/sciadv.adj5200
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[퓨처 Eyes(22)] 초전도체 온-오프 스위치 개발, 혁신적 전력·통신 기술 기대
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18가지 암 93% 초기 발견 가능 획기적인 혈액검사 개발
- 미국에서 18가지 유형의 암을 초기 단계에서 발견할 수 있는 새로운 혈액검사가 개발됐다. 영국 매체 더 선(THE Sun)은 미국의 생명공학 회사 노벨나(Novelna) 연구팀이 개발한 획기적인 혈액 검사 방법은 18가지 유형의 암을 초기 단계에서 발견할 수 있다고 최근 보도했다. 이 검사 방법은 혈장 내 단백질의 변화를 감지하여 암세포와 정상 세포를 구분한다. 연구진은 이 검사를 이전에 암을 진단받은 440명과 건강한 헌혈자 44명에게 테스트했다. 그 결과, 이 검사는 초기 단계의 암을 '매우 정확하게' 탐지할 수 있었고, 80%의 사례에서 암세포에서 유래한 단백질을 확인했다. 특히, 1단계 암의 경우 남성은 93%, 여성은 84%를 발견할 수 있었다. 하버드 대학의 보그단 버드닉(Bogdan Budnik) 박사는 이 혈액 검사의 중요성을 강조하며, "우리가 개발한 이 혈액 검사는 암의 조기 발견에 매우 효과적이며, 암세포에서 나오는 특정 단백질을 증상이 나타나기 전에 감지할 수 있다"고 밝혔다. 현재 영국에는 약 300만 명의 암 환자가 있는 것으로 추정되며, 전문가들은 이 숫자가 2040년까지 530만 명 이상으로 증가할 것으로 예측하고 있다. 암은 초기 단계에서 발견될 경우 치료가 상대적으로 용이하지만, 현존하는 다양한 암 조기 발견 검사들이 종류별로 분류되어 있어 신속한 진단에 어려움이 있다. 영국의 국가의료제도(National Health Service, NHS)는 현재 갤러리(Galleri) 테스트를 시범 운영 중이다. 갤러리 테스트는 50가지의 암을 탐지할 수 있는 능력이 있다고 알려져 있지만, 최근 개발된 노벨나(Novelna)의 새로운 테스트는 갤러리 테스트보다 더 높은 민감도를 보이는 것으로 평가받고 있다. 이 새로운 검사 방법은 혈장 내에 존재하는 단백질을 분석하여 암을 탐지한다. 암세포는 정상 세포와는 다른 단백질을 생성하기 때문에, 이러한 차이를 통해 암을 조기에 발견할 수 있다는 것이 핵심이다. 이 새로운 혈액 검사는 성별을 고려하여 진행되는데, 이는 일부 암이 남성과 여성에서 다른 연령대에 영향을 미칠 가능성이 높기 때문이다. 암은 증상이 나타나기 전, 몸 안에서 작은 암세포들이 퍼져 나가는 단계에서 발견하기 어렵다. 이 단계에서는 암세포가 아직 크기가 작고 증상이 나타나지 않기 때문이다. 그러나 암세포는 정상 세포와 다른 단백질을 생성하는 특징을 가지고 있다. 이러한 특성 때문에 혈액 검사를 통해 암을 조기에 발견할 수 있다. 현재 영국 국가의료제도에서 시험 중인 갤러리 테스트와 새로 개발된 노벨나의 검사 모두 혈액 내의 단백질을 분석하여 암을 탐지한다. 특히, 노벨나의 새로운 검사는 성별에 따른 암 발생 가능성을 고려하여 검사를 진행함으로써, 보다 정확하고 맞춤화된 진단이 가능하게 하여, 암 진단의 정확도와 효율성을 높이는 데 기여하고 있다. 런던 퀸 메리 대학의 스티븐 더피(Stephen Duffy) 교수는 최근의 연구 결과에 대해 "이 연구는 암을 조기에 발견할 수 있는 높은 가능성을 보여주며, 잘못된 결과를 낼 확률이 낮다는 것을 시사한다"고 말했다. 암은 초기 단계에서 발견되고 적절히 치료될 경우 완치 가능성이 높지만, 증상이 나타나기 전에는 발견하기 어려운 것이 현실이다. 이러한 맥락에서, 이 새로운 혈액 검사의 상용화는 암 조기 발견과 치료에 큰 진전을 가져올 것으로 기대된다.
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18가지 암 93% 초기 발견 가능 획기적인 혈액검사 개발
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건강한 비만, 대사 관련 질환 위험 ↓
- 전 세계적으로 비만의 유병률이 상승하고 있으며, 이로 인해 대사 관련 질환의 위험도 증가시키고 있다. 대사 관련 질환에는 고혈압, 당뇨병, 이상지질혈증 등이 포함되어 있다고 의학 전문 매체 '뉴스 메디컬 라이프 사이언스(NEWS MEDICAL LIFE SCIENCES)'가 최근 보도했다. 과학 저널 '사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)'에 최근 발표된 연구에서는 비만의 다양한 유형과 호르몬인 렙틴(LEP)과 아디포넥틴(ADP) 수치 간의 관련성을 분석했다. 이 연구에 따르면 비만은 대사적으로 건강한 비만(MHO)과 대사적으로 건강하지 않은 비만(MUO)으로 구분할 수 있다. MHO는 대사 관련 질환에 대한 위험이 상대적으로 낮으며, 반면 MUO는 그 위험이 높다는 설명이다. 비만과 대사 관련 질환 연구 방법 연구팀은 중국 신장에서 실시한 연구에 참여한 178명의 데이터를 분석했다. 참가자들은 비만도계산(BMI) 기준에 따라 참가자들을 세 그룹으로 나누어졌다. BMI가 99kg/m2이상인 대사적으로 건강하지 않은 비만(MUO) 그룹, BMI가 99kg/m2 이상이면서 대사 질환은 없는 건강한 비만(MHO) 그룹, 그리고 BMI가 24kg/m2 미만인 건강한 대조군(HC) 그룹이다. 연구팀은 참가자들로부터 공복 상태에서 혈액 샘플을 채취하고, 이를 기반으로 혈청 렙틴(LEP)과 아디포넥틴(ADP) 수치를 측정했다. 렙틴(LEP)은 포도당의 이용을 촉진하고 인슐린의 민감도를 향상시켜 몸의 에너지 균형을 유지하는데 중요한 역할을 한다. 아디포넥틴(ADP)은 인슐린 작용의 향상, 포도당 대사의 개선, 지질 산화 증가 등을 통해 비만과 관련된 심혈관 질환의 위험을 줄이는 염증 억제 호르몬으로 알려져 있다. 연구진은 참가자들의 생물학적 성별, 허리둘레(WC), 혈청 트리글리세라이드(TG), 공복 인슐린(FINS), 공복 혈장 포도당(FPG) 수치, 혈압(BP), 체질량 지수(BMI), 그리고 체중 등을 측정했다. MUO그룹, 아디포넥틴↓ 렙틴↑ 건강하지 않은 비만(MUO) 그룹의 참가자들은 건강한 비만(MHO) 그룹에 비해 체질량 지수, 허리 둘레, 허리-엉덩이 비율(WHR), 혈청 트리글리세라이드, 총 콜레스테롤(TC), 저밀도지질단백질-콜레스테롤(LDL-C), 공복 혈장 포도당, 공복 인슐린, 인슐린 저항성 수치(Homa-IR)와 혈압 수치가 상대적으로 높았다. 게다가 건강하지 않은 비만(MUO) 그룹이 아디포넥틴 수치는 더 낮았고, 렙틴 수치는 더 높았다. 아디포넥틴은 허리둘레, 내장 지방, 혈압, 혈중 지질, 혈장 포도당 및 인슐린 수치와의 역상관 관계를, 렙틴은 허리 둘레, 허리-엉덩이 비율(WHR), 체질량 지수, 체지방량과의 양의 상관 관계를 보였다. 대사적으로 건강하지 않은 비만(MUO) 그룹과 건강한 비만(MHO) 그룹 사이에서 렙틴과 아디포넥틴 호르몬 수치에는 차이가 없었다. 그러나 두 그룹 모두에서 렙틴 수치는 체지방량과 양의 상관 관계를 보였으며, 아디포넥틴 수치는 내장 지방, 혈압, 혈중 지질, 혈장 포도당 및 인슐린 수치와 역상관 관계를 보였다. 비만 관련 대사 장애 지표 활용 이 연구는 비만 표현형에 따른 렙틴과 아디포넥틴 수치의 차이를 조사한 최초의 연구 중 하나다. 연구 결과, 대사적으로 건강하지 않은 비만(MUO) 그룹은 건강한 비만(MHO) 그룹에 비해 대사 질환의 위험이 더 크다는 것이 확인됐다. 아디포넥틴과 렙틴 수치의 변동은 비만과 관련된 대사 장애의 유용한 지표가 될 수 있음을 시사한다. 아디포넥틴은 비만과 관련된 심장대사 문제의 예방에 기여하는 반면, 렙틴은 신체의 에너지 균형 유지에 중요한 역할을 한다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 비만 관련 대사 장애의 조기 발견과 치료에 대한 새로운 접근 방법이 마련될 수 있을 것으로 기대된다.
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