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2024-11-22 (금)

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[신소재 신기술(135)] 데이터 센터 냉각 효율 획기적으로 높이는 신소재 개발

미국과 중국 과학자들이 공동으로 데이터 센터의 냉각 효율을 획기적으로 높일 수 있는 새로운 소재를 개발했다. 이 소재는 가정과 기업용 전자기기의 에너지 효율성을 향상시키는 데에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 현재 데이터 센터는 방대한 양의 데이터를 저장하는 하드웨어를 냉각하기 위해 대규모 냉각 시스템을 가동하고 있다. 이는 전체 에너지 사용량의 약 40배에 달하는 막대한 에너지를 소비한다. 매년 약 8테라와트시(TWh)의 에너지가 데이터 센터 냉각에 사용되는 실정이다. 8테라와트시는 엄청나게 큰 에너지 용량이다. 일반적인 가정의 월평균 전력 사용량은 약 300kwh이다. 8TWh는 약 2600만 가구가 한 달 동안 사용할 수 있는 전력량에 해당한다. 또 다른 예를 들면 2021년 기준 한국의 총발전량은 약 577TWh이다. 8TWh는 한국 전체가 약 5일 동안 사용할 수 있는 전력량이다. 미국 텍사스대학교(UT) 오스틴 캠퍼스와 중국 쓰촨대학교 공동 연구팀은 데이터 센터 냉각 효율을 높일 수 있는 새로운 유기 열계면 소재(TIM)를 개발했다고 과학 전문매체 사이언스얼라트가 보도했다. 연구팀은 TIM을 통해 데이터 센터 냉각에 필요한 에너지를 약 13% 절감할 수 있을 것으로 예상했다. 이 TIM은 전자 부품에서 발생하는 열을 히트싱크로 빠르게 전달해 공기 또는 물을 통해 열을 방출하는 효율성을 획기적으로 높인다. 연구팀은 실험실 테스트에서 TIM을 사용했을 때 기존 냉각 방식 대비 전자 부품의 온도를 낮추면서도 방열량을 2배 증가시키는 것을 확인했다. 또한, 냉각 펌프의 에너지 사용량을 65% 절감하는 효과도 입증했다. 이번 연구를 주도한 텍사스대학교 오스틴 캠퍼스의 재료과학자 구이화 유 교수는 "데이터 센터를 비롯한 대규모 전자 시스템의 냉각 인프라 전력 소비가 급증하고 있다"며 "이러한 추세는 앞으로도 계속될 것이므로 킬로와트급 이상의 고전력 장치를 효율적이고 지속 가능하게 냉각할 수 있는 새로운 방법을 개발하는 것이 중요하다"고 강조했다. 쓰촨대학교의 카이 우 교수는 "이번 연구 결과는 이론적으로 예측된 이상적인 성능에 더 가까워졌음을 의미하며, 고전력 전자 장치를 위한 보다 지속 가능한 냉각 솔루션을 가능하게 한다"고 설명했다. 연구팀은 현재 데이터 센터 사업자들과 협력하여 더 큰 시스템과 다양한 환경에서 새로운 TIM을 적용하는 연구를 진행하고 있다. 인공지능(AI) 모델의 발전과 데이터 사용량 증가로 인해 2028년 데이터 센터 전력 사용량은 2023년의 2배에 달할 것으로 예상된다. 골드만삭스의 산업 분석가들은 2080년까지 데이터 센터 전력 사용량은 160% 급증할 것으로 예측했다. 골드만삭스 분석가들은 또한 AI 애플리케이션만으로도 2023년부터 2030년까지 데이터 센터 전력 소비량이 연간 200테라와트시 증가할 것으로 추정했다. 이는 심각한 에너지 문제를 야기할 수 있으며, 과학자들은 이를 해결하기 위해 노력하고 있다. 카이 우 교수는 "이 소재는 데이터 센터에서 항공 우주에 이르기까지 에너지 집약적인 분야에서 지속 가능한 냉각을 가능하게 하여 보다 효율적이고 친환경적인 기술 개발에 기여할 것"이라고 말했다. 이번 연구 결과는 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 저널에 게재됐다.
- IT/바이오
2024-11-22
[신소재 신기술(134)] UC 버클리, '뜨거운 이산화탄소 가스 포집' 획기적 기술 개발

산업 공정에서 발생하는 뜨거운 이산화탄소를 포집할 수 있는 혁신적인 기술이 개발됐다. 시멘트나 강철을 생산하는 산업 플랜트는 강력한 온실가스인 이산화탄소를 대량으로 배출하지만, 배기가스가 너무 뜨거워 최첨단 탄소 제거 기술을 사용할 수 없다. 배기가스를 냉각하려면 많은 에너지와 물이 필요하며, 이는 일부 가장 오염이 심한 산업에서 이산화탄소 포집 기술을 도입하는 장벽으로 작용한다. 그런데 UC 버클리의 화학자 연구진이 스펀지처럼 작용해 산업 배기가스와 비슷한 높은 온도에서 이산화탄소를 포집할 수 있는 소재를 발했다. UC 버클리 공식 홈페이지에 따르면, 발견된 소재는 금속-유기 프레임워크(MOF)의 일종으로, 사이언스 저널에 게재됐다. 발전 또는 산업 플랜트 배기가스에서 탄소를 포집하는 주요 방법은 액체 아민을 사용하여 이산화탄소를 흡수하는 것이다. 그러나 이 방법은 섭씨 40~60도 사이에서만 효율적으로 작동한다. 시멘트 제조 및 제강 공장은 200도를 넘는 배기가스를 생성하고 일부 산업 배기가스는 500도에 달한다. 아민이 추가된 MOF 하위 분류를 포함해 현재 시범 운영 중인 새로운 소재는 150도 이상의 온도에서는 분해되거나 덜 효율적이다. 이렇게 뜨거운 이산화탄소를 가져와 기존의 탄소 포집 기술을 적용하려면 적절한 온도로 냉각해야 하고, 비싼 인프라가 필요하다. 이번 연구를 진행한 UC 버클리 커티스 카쉬 박사는 "우리 기술이 탄소 포집 방식을 근본적으로 바꿀 수 있을 것"이라며 "개발된 MOF가 전례 없이 높은 온도에서 이산화탄소를 포집할 수 있다는 것이 입증됐다. 과거의 다공성 소재로는 불가능했던 것"이라고 설명했다. 아민 기반 탄소 포집에 대한 일반 연구에서 벗어나 고온에서도 작동하는 MOF의 새로운 매커니즘을 수립했다는 것이다. 개발된 소재는 다공성 결정질 금속 이온 및 유기 링커 배열을 특징으로 하며, 내부 면적은 스푼당 약 6개의 축구장 크기에 달해 이산화탄소를 흡착하기에 충분히 넓은 면적이다. 연구진은 시뮬레이션에서 새로운 MOF가 평균 20%~30%의 이산화탄소 농도를 보이는 시멘트 및 철강 제조 플랜트의 배출가스와 약 4% 농도의 이산화탄소를 포함한 천연가스 발전소의 배출가스에서 뜨거운 이산화탄소를 포집할 수 있음을 보여주었다. 포집된 이산화탄소를 지하에 저장하거나 연료 또는 기타 부가가치 화학 물질을 만드는 데 사용하는 것은 온실가스를 줄이는 핵심 전략이다. 지구 온난화와 기후 변화에 대응하는 유력한 솔루션으로 각광받고 있다. 재생 에너지 발전과 달리 화석연료를 주로 사용하는 산업 플랜트는 지속 가능성을 확보하는 것이 더욱 어렵기 때문에 이산화탄소 포집이 매우 중요하다. 아민 기반 흡착제는 수십 년 동안 탄소 포집 연구의 초점이었다. MOF는 원래 독일 아우크스부르크 대학교의 연구진이 발견했다. MOF가 이산화탄소로 채워지면 이산화탄소의 분압을 낮추어 제거하거나 탈착할 수 있다. MOF는 재사용한다. 연구진은 MOF를 변형해 다른 가스를 흡착할 수 있는지 추가 확인 작업에 나서고 있다. 이 소재가 더 많은 이산화탄소를 흡착할 수 있도록 기능 개선도 진행하고 있다.
- 경제
2024-11-20
[신소재 신기술(133)] 물에 녹는 바이오플라스틱 'MECHS' 개발

플라스틱 오염 문제가 점점 더 심각해지는 가운데, 물에 녹는 새로운 바이오플라스틱이 개발되어 주목받고 있다. 미국 노스이스턴 대학교의 아비나쉬 만줄라-바사반나(Avinash Manjula-Basavanna) 연구원과 닐 조쉬(Neel S. Joshi) 교수 연구팀은 물과 퇴비에서 빠르게 분해되는 바이오플라스틱 'MECHS'를 개발했다고 어스닷컴이 보도했다. 이번 연구 결과는 학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 저널에 발표됐다. 새로운 바이오플라스틱 'MECHS'의 특징 MECHS는 '퇴비화, 치유, 확장가능성을 갖춘 기계적으로 조작된 살아있는 물질(Mechanical Engineered Living Materials with Compostability, Healability, and Scalability)'의 약자이다. 이 소재는 유전자 조작된 대장균 박테리아와 섬유 매트릭스를 결합하여 종이 또는 필름 형태로 제작된다. 기존 바이오플라스틱과 달리 MECHS는 빛과 같은 외부 자극에 반응하고 자가 재생 및 조절 능력을 갖추고 있다. 또한 물과 퇴비에 빠르게 분해되어 환경 오염을 줄이는데 기여할 수 있다. 연구팀은 "MECHS는 변기에 버려도 생분해될 정도로 친환경적"이라고 설명했다. 대량 생산 가능-플라스틱 포장재 대체 기대 MECHS는 종이와 유사한 방식으로 대량 생산이 가능하며, 플라스틱 포장재를 대체할 수 있을 것으로 기대된다. 앞서 설명했듯이 기본적으로 이 제품은 유전자 조작된 대장균 박테리아가 섬유 매트릭스와 얽힌 종이 또는 필름과 같은 형태로 만들어진다. 섬유질 구조로 인해 이 바이오플라스틱은 비밀 랩처럼 늘어날 수 있고, 다양한 강성을 위해 유전적으로 조작할 수 있으며 자가 치유 능력까지 갖추었다. 만줄라-바사반나 연구원은 "플라스틱 포장재는 수명이 며칠에서 2년 정도로 짧지만, 현재 사용되는 석유화학 플라스틱은 생분해되는 데 수백 년이 걸린다"며 "MECHS는 생분해성, 수세성(침투액의 물에 의한 세척의 정도를 비교하기 위해 사용되는 척도), 기계적 조정 가능성을 갖춘 지속 가능한 대안"이라고 강조했다. 플라스틱 포장재는 현재 플라스틱 시장의 3분의 1을 차지한다. 상용화 위해 유전자 안정성 확보해야 MECHS는 혁신적인 소재지만 상용화를 위해서는 몇 가지 과제를 해결해야 한다. 먼저, 유전자 조작된 대장균 박테리아(E.coli 박테리아)의 유전적 안정성을 확보해야 한다. 또한 기존 플라스틱 산업의 전환에 따른 경제적, 물류적 문제와 대중의 인식, 규제 문제 등을 해결해야 한다. 연구팀은 MECHS를 시작으로 다양한 생분해성 소재를 개발하고 환경 보존, 의료 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 전망했다. 이들의 연구는 생물학, 화학, 공학 분야의 협력을 통해 지속 가능한 해결책을 제시하는 모범 사례로 평가받고 있다.
- IT/바이오
2024-11-19
[신소재 신기술(132)] 플라스틱 폐기물, 고부가가치 화학물질과 수소 에너지로 재활용하는 기술 개발

플라스틱 폐기물을 분해해 벤조산과 청정에너지인 수소로 재활용하는 기술이 개발됐다. 독일 연구팀이 가장 흔한 플라스틱 페기물인 폴리스티렌 폐기물을 효율적으로 재활용하는 전기화학적 방법을 개발했다. 이 기술은 저렴한 철 촉매를 사용하여 폴리스티렌을 분해해 벤조산과 그 부산물로 수소를 생성하며, 태양 에너지를 사용하여 작동할 수 있는 장점이 있다고 사이테크 데일리가 보도했다. 플라스틱은 우리 생활에 필수적인 요소가 되었지만, 매립지와 자연 환경에 축적되는 막대한 양의 플라스틱 폐기물은 심각한 문제를 야기한다. 전 세계적으로 생산되는 플라스틱은 재활용율이 겨우 10% 미만에 불과하다. 2025년에는 플라스틱 폐기물이 400억톤에 이를 것으로 예상된다. 특히 포장재와 건축 자재에 널리 사용되는 폴리스티렌(PS)은 매립지에 버려지는 폐기물의 약 33%를 차지하지만, 재활용율은 1%에 불과하다. 2022년 폴리스티렌의 전 세계 생산량은 1540만톤에 달했다. 그 중에서 재활용된 폴리스티렌은 겨우 15만4000톤에 불과했다. PHYS는 캘리포니아 대학교 버클리와 캘리포니아 대학교 산타바바라의 연구자들이 수행한 '2050년까지 전 세계 플라스틱 폐기물 관리 불량과 온실 가스 배출을 줄이기 위한 경로'라는 연구를 인용해 지금처럼 경제 활동을 게속한다면 세계는 2011년부터 2050년까지 엠파이어 스테이트 빌딩 높이의 10배에 달하는 플라스틱 더미로 맨해튼을 덮을 만큼의 쓰레기를 배출할 것이라고 지적했다. 이러한 문제를 해결하기 위해 독일 괴팅겐의 프리드리히 뵐러(Friedrich Wöhler) 지속가능 화학 연구소의 루츠 아커만 교수가 이끄는 연구팀은 폴리스티렌을 효율적으로 분해하는 전기화학적 방법을 개발했다. 이 방법은 폴리스티렌을 분해하여 화학 공정의 원료로 사용할 수 있는 단량체 벤조일 생성물과 짧은 고분자 사슬을 생성하고 그 부산물로 수소를 만들어냈다. 이 기술의 핵심은 헤모글로빈과 유사한 철 포르피린 복합체인 철 기반 촉매이다. 철은 다른 촉매 활성 금속에 비해 독성이 없고 저렴하며 쉽게 구할 수 있다는 장점이 있다. 전기 촉매 반응 과정에서 철 화합물은 Ⅳ, Ⅲ, Ⅱ의 다른 산화 단계를 순환하며, 일련의 반응 단계와 중간 생성물을 거쳐 폴리스티렌의 탄소-탄소 결합을 분해한다. 주요 생성물은 벤조산과 벤즈알데히드이며, 벤조산은 향료 및 방부제 생산 등 다양한 화학 합성의 원료로 사용된다. 연구팀은 실제 플라스틱 기물을 그램 단위로 효율적으로 분해함으로써 이 새로운 전기 촉매 기술의 견고성을 입증했다. 이번 연구 결과는 독일 저명 학술지 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie, 응용화학)'에 개재됐다.
- IT/바이오
2024-11-18
[신소재 신기술(131)] 유전자 편집으로 더 달콤하고 큰 토마토 개발

중국 농업과학원 연구팀이 크리스퍼(CRISPR) 유전자 가위 기술을 이용하여 크기는 유지하면서 당도를 높인 토마토 품종 개발에 성공했다. 이는 대량 생산되는 토마토의 맛과 풍미를 향상시키는 동시에 생산 효율성을 높일 수 있는 획기적인 기술로 평가 된다. 해당 연구에 대해서는 영국 일간지 더 가디언과 홍콩 매체 사우스 차이나 모닝 포스트(SCMP), 과학전문 매체 네이처닷컴, 파퓰러사이언스 등 다수 외신이 다루었다. 크리스퍼(CRISPR)는 세균의 면역 체계에서 유래한 유전자 편집 기술이다. 쉽게 말해, 유전자의 특정 부붐을 정확하게 잘라내고 붙여 넣거나 수정할 수 있는 기술이다. 마치 워드프로세서로 문서를 편집하듯이, CRISPR를 이용하면 생명체의 유전 정보를 원하는 대로 수정할 수 있다. 연구팀은 토마토(Solanum lycopersicum)에서 당 함량을 조절하는 두 가지 유전자, SlCDPK27과 SlCDPK26을 CRISPR-Cas9 기술로 식별했다. 이 유전자들은 당(설탕) 생산에 관여하는 효소를 분해하여 토마토의 '슈가 브레이크(Sugar brake)' 역할을 한다. 연구팀은 이 두 유전자를 비활성화함으로써 일반 토마토보다 포도당과 과당 함량이 30% 높은 새로운 품종을 개발했다. 놀라운 것은 과일의 크기나 전체 수확량에는 영향을 미치지 않았다는 점이다. 슈가 브레이크(sugar brake)는 비db적인 표현으로 식물 내에서 당(설탕)의 축적을 억제하는 메커니즘을 의미한다. 마치 자동차의 브레이크가 속도를 늦추는 것처럼 슈가 브레이크는 식물 세포 내에서 당의 양이 과도하게 증가하지 않도록 조절하는 역할을 한다. CRISPR 유전자 편집 기술을 이용하여 이러한 슈가 브레이크 유전자를 비허ㅘㄹ성화하면 토마토의 당 함량을 높일 수 있다. 이번 연구 결과는 2024년 11월 13일 학술지 네이처(Nature)에 게재됐다. 연구팀은 "돌연변이 토마토의 씨앗은 개수가 적고 가볍지만 정상적인 발아를 보였다"며 "이러한 결과는 토마토의 당 축적을 조절하는 메커니즘에 대한 이해를 제공하며, 크기와 수확량을 희생하지 않고 당 함량을 높일 수 있는 가능성을 제시한다"고 밝혔다. 공동 저자인 장진저 박사는 새로운 품종의 토마토가 현재 시중에 판매되는 토마토보다 맛이 훨씬 뛰어나다고 강조했다. 그는 "현재 판매되는 토마토는 마치 물처럼 맛이 없다"며 새로운 품종의 맛에 대한 기대감을 드러냈다. 이번 연구는 단순히 맛을 개선하는 것 이상의 의미를 지닌다. 네이저치는 전 세계적으로 매년 2억500만톤의 토마토가 생산되며, 대부분 야생 조상보다 크기가 100배 이상 크다고 지적했다. 이러한 크기 증가는 수분 항량 증가로 이어져 토마토 피이스트와 같은 제품 생산에 추가적인 에너지, 비용, 시간이 소요된다. 당도가 높은 토마토는 생산 효율성을 높여 제조업체에서 더 나은 선택지를 제공할 수 있다. 더 나아가 이번에 발견된 두 유전자는 다른 많은 식물종에서도 발견되기 때문에, 이와 유사한 유전자 편집 기술을 통해 다른 농작물의 품질을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 아울러 슈가 브레이크는 토마토뿐만 아니라 다른 식물에도 존재하는 것으로 알려져 있다. 슈가 브레이크 메커니즘을 이해하고 조절하는 것은 식물의 품질을 향상시키는 데 중요한 역할을 할 수 있다. 예를 들어 과일의 당도를 높이거나, 곡물의 저장성을 향상시키는 데 활용될 수 있다.
- IT/바이오
2024-11-15
[신소재 신기술(130)] AI 기술 접목한 로봇, 비디오만 보고 외과 수술 성공

인공지능(AI) 기술을 접목한 로봇 시스템이 비디오 영상을 통해 외과 수술 방법을 훈련하고, 수술을 성공적으로 수행했다. 인간 의사가 수술을 집도하려면 수년간의 집중적인 연구와 꾸준한 노력이 필요하지만, 로봇은 오늘날의 AI 기술을 통해 이를 더 쉽게 습득할 수 있을 것으로 보인다. 미국 존스홉킨스 대학(JHU)과 스탠포드 대학의 연구진이 개발한 로봇 수술 시스템은 수술 과정을 담은 비디오를 통해 훈련하는 것만으로 인간 의사만큼 능숙하게 여러 수술 작업을 수행하도록 훈련된 것이다. 연구 결과는 JHU 공식 홈페이지에 소개됐다. 게시글에 따르면 연구진은 이 연구에서 다빈치 수술 시스템을 활용했다. 이는 일반적으로 해부, 흡입, 혈관 절단 및 봉합과 같은 작업을 위한 기구를 조작하는 팔이 달린 로봇을 외과 의사가 원격으로 조작하는 시스템이다. 이 시스템은 외과의에게 훨씬 더 큰 제어력과 정밀도를 확보하고, 수술대 위의 환자를 자세히 들여다볼 수 있는 기능을 제공한다. 최신 버전의 로봇 수술 시스템 가격은 200만 달러(약 28억원) 이상으로 추정되며, 액세서리, 멸균 장비 또는 훈련 등은 별도다. 연구진은 모방 학습이라고 알려진 머신러닝을 사용하여 다빈치 수술 시스템이 수술 과정과 관련된 세 가지 작업, 즉 바늘 조작, 신체 조직 리프팅, 봉합을 스스로 수행하도록 훈련했다. 이 외과 로봇 시스템은 인간 의사가 할 수 있는 것처럼 수술을 잘 수행했을 뿐만 아니라 스스로 실수를 바로잡는 법도 배웠다. 연구원인 악셀 크리거 JHU 교수는 "예컨대 바늘을 떨어뜨리면 자동으로 집어 올려 수술을 계속한다. 사람이 가르쳐서 한 게 아니다"라고 설명했다. 연구진은 챗GPT와 같은 생성형 AI 챗봇이 구축된 머신러닝 아키텍처와 모방 학습을 결합해 AI 모델을 훈련했다. 일반 챗봇은 텍스트로 작업하도록 설계된 반면, 이 모델은 숫자나 방정식과 같은 수학적 요소로 동작을 설명하는 데 사용되는 언어인 운동학을 통해 수술 시스템의 팔 동작을 지시한다. 모델은 수술 과정 중에 다빈치 로봇의 팔에 부착된 손목 카메라로 녹화된 수백 개의 비디오를 사용해 훈련됐다. 연구진은 이 모델이 수술 로봇의 동작을 지시하는 데 필요한 모든 단계를 수동으로 코딩하는 기존 방법보다 훨씬 더 빠르고 쉽게 모든 유형의 수술 절차를 수행하도록 로봇을 훈련시킬 수 있다고 주장했다. 이는 자동화된 수술을 더 빨리 현실화하는 데 도움이 될 것으로 기대된다. 크리거 교수는 "새로운 모델의 장점은 다양한 절차의 모방 학습만 수집하면 며칠 안에 로봇이 이를 학습하도록 훈련시킬 수 있다는 것"이라며 "이를 통해 의료 실수를 줄이고 더 정확한 수술을 수행하는 동시에 자율성이라는 목표를 가속할 수 있다"고 밝혔다. 이 연구는 최근 몇 년 동안 로봇 지원 수술 분야에서 가장 큰 혁신 중 하나로 꼽힌다. 복잡한 수술에 사용할 수 있는 자동화된 장치가 몇 가지 있는데, 예를 들어 심혈관 수술을 위한 코린더스(Corindus)의 코패스(CorPath) 시스템이 그렇다. 그 기능은 일반적으로 해당 수술의 특정 단계에만 제한된다. 크리거 연구팀은 과거 수술 작업을 자동화하는 다른 접근 방식도 연구했다. 연구진은 2022년, 스마트 조직 자율 로봇(STAR)을 개발했다. 구조적 광(光·빛) 기반 3차원 내시경과 머신러닝 기반 추적 알고리즘의 안내를 받는 로봇은 인간 의사의 개입 없이 돼지 장의 양쪽 끝을 봉합했다. JHU 연구진은 현재 모방 학습 방법으로 로봇이 전체 수술을 수행할 수 있도록 훈련시키는 작업을 진행하고 있다. 로봇이 외과의를 완전히 대체하는 데는 몇 년이 걸릴 수 있지만, 이와 같은 혁신을 통해 환자들은 복잡한 치료를 더 안전하고 쉽게 받을 수 있을 것으로 기대된다.
- IT/바이오
2024-11-14
[신소재 신기술(129] 암흑물질 실험서 중성미자 '구름' 첫 포착

이탈리아와 중국 과학자들이 최근 진행한 암흑물질 실험에서 중성미자 구름을 처음으로 포착해 학계의 이목을 집중시키고 있다. 우주에서 가장 풍부한 입자인 중성미자는 전하가 없고 질량이 거의 없는 아원자 입자로, 물질과 거의 상호 작용하지 않는 특징을 지닌다. 또한 감지 되지 않고 모든 물체를 통과하는 기이한 특성 때문에 '유령 입자'로 불리기도 한다. 참고로 원자를 구성하는 입자 중에서 가장 가벼운 전자조차도 중성미자보다 600만배 더 무겁다. 양성자는 전자보다 약 1836배 더 무겁고, 중성자는 전자보다 약 1839배 더 무겁다. 최근 이탈리아와 중국에서 각각 독립적으로 운영되는 암흑물질 검출 실험인 제논(XENON)과 판다X(PandaX) 연구팀이 암흑물질 주변에서 중성미자 구름을 처음으로 포착했다고 발표했다고 인터레스팅엔지니어링이 전했다. 제논 실험에 참가한 페이 가이오는 "이것은 암흑 물질 실험을 통해 천체물리적 중성미자를 측정한 최초의 사례"라고 말했다. 중성미자-핵 탄성 산란 통해 검출 중성미자는 일반적으로 중성미자-핵 탄성 산란(CEvNS) 과정을 통해 검출된다. 이는 중성미자가 양성자나 전자와 상호 작용하는 것이 아니라 원자핵 전체와 상호 작용하는 과정이다. 연구를 진행하는 동안 연구진은 2년 동안의 실험 데이터를 검토했다. XENON과 PandaX 연구팀은 액체 제논 검출기를 사용하여 암흑물질 입자 또는 중성미자가 제논 원자와 상호 작용하는 방식을 연구하는 과정에서 태양 핵에서 발생하는 붕소-8의 방사성 베타 붕괴에서 나오는 CEvNS 신호를 확인했다. XENON 연구팀은 11개의 CEvNS 신호를, PandaX 연구팀은 75개의 신호를 보고했으며, 두 실험 모두 통계적 신뢰도는 2.64 시그마(PandaX)와 2.73 시그마(XENON)로 유사했다. 듀크 대학교의 물리학 교수인 케이트 숄버그는 "저를 포함한 대부분의 사람들이 이 공동연구가 중성미자 안개를 측정했다고 확신한다"고 말했다. 이번 연구 결과는 암흑물질 주변에 밀집된 중성미자 구름의 존재를 시사하며, 이는 암흑물질 탐색에 새로운 과제를 제기한다. 중성미자는 검출이 어렵기 때문에 우주에 풍부하게 존재하는 중성미자는 암흑물질 검출 시 배경 잡음을 생성하여 암흑물질 신호를 구별하기 어렵게 만들 수 있다. 전문가 "중성미자 구름 위협 과장되었을 가능성…추가 연구 필요" 그러나 멜버른 대학교의 암흑물질 입자 물리학 전문가인 엘리사베타 바르베리오는 "중성미자 구름으로 인한 '존재적 위협'은 과장되었을 가능성이 있다"며 "이러한 배경 잡음이 암흑물질 연구의 진전을 막기 전에 해야 할 일이 많다"고 밝혔다. 그는 이번 실험에는 참가하지 않았다. 이번 연구 결과는 암흑물질과 중성미자 사이의 상호 작용을 이해하는 데 중요한 단서를 제공하며, 향후 암흑물질 탐색 연구에 영향을 미칠 것으로 예상된다. 이 연구는 미국 물리학회에서 발행하는 학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 게재됐다.
- IT/바이오
2024-11-11
[신소재 신기술(128)] 나노셀룰로오스, 석유 관련 제품 대체 가능성

나노 셀룰로오스가 석유 관련 제품을 대체할 수 있는 가능성을 제시한 새로운 연구가 발표됐다. 이탈리아 밀라노대학 연구팀이 셀룰로오스 나노섬유(CNF)의 기계적 특성과 내수성을 활용, 석유 관련 제품을 대체할 수 있는 소수성(물 분자와 쉽게 결합하지 못하는 성질)의 종이를 만드는 방법이 제안돼 관심을 모으고 있다고 PHYS가 전했다. 이를 포장 및 생물 의학 기기에 적합한 지속 가능한 고성능 소재를 생산할 수 있다는 연구 결과다. 이 방법론은 초분자적 접근법, 즉 셀룰로오스 나노섬유를 화학적으로 변형시키지 않는 단백질의 짧은 사슬(펩타이드 서열)을 결합하는 것이다. 지속 가능한 소수성 종이는 가까운 미래에 석유 관련 제품을 대체할 수 있다는 기대다. 소재화학 저널(Journal of Materials Chemistry)에 실린 이 연구는 '기계적 강도와 차단 성능을 개선하기 위한 나노셀룰로스-짧은 펩타이드 자가 조립'이라는 제목으로 실렸다. 연구는 밀라노 공과대학의 화학 및 재료 공학과 연구진이 알토 대학, 핀란드의 VTT-기술 연구 센터, CNR의 사이텍(SCITEC) 연구소와 협력해 수행했다. 셀룰로오스 나노섬유는 재생 및 생분해가 가능한 원료인 셀룰로오스에서 추출한 천연 섬유로, 강도와 다양성이 우수한 것으로 잘 알려져 있다. 이 연구에서 밀라노 공과대학의 수퍼바이오나노랩 연구원들은 화학적으로 변형하지 않고도 셀룰로오스 나노섬유의 특성을 크게 향상시킬 수 있는 방법을 보여주었다. 여기에 펩타이드라는 작은 단백질을 첨가했다. 연구진인 엘리사 마렐리는 방법론을 설명하면서 "제안된 초분자적 접근 방식에는 작은 펩타이드 서열을 추가하는 것이 포함되었는데, 이는 나노섬유와 결합해 기계적 성능과 방수성을 개선한다"라고 밝혔다. 마렐리는 이어 "연구 결과에 따르면 최소량의 0.1% 미만의 펩타이드만으로도 생산된 하이브리드 재료의 기계적 특성을 크게 높여 응력에 대한 저항성을 높일 수 있었다"고 부연했다. 연구진은 이런 결과를 토대로 펩타이드 서열에 불소 원자를 첨가할 경우의 영향을 평가했다. 이를 통해 구조화된 소수성 필름을 만들 수 있었으며, 결과적으로 생체 적합성 및 지속 가능한 특성을 유지하면서도 더 큰 내수성을 제공할 수 있었다. 연구진의 피에란젤로 메트랑골로는 "이러한 발전은 성능 면에서 석유로 만든 재료와 경쟁할 수 있는 생체 재료를 만드는 새로운 기회를 열어 준다. 이는 환경에 대한 영향을 줄이면서 석유 제품과 동일한 품질과 효율성을 달성한다. 이러한 하이브리드 소재는 습기에 대한 저항성이 중요한 지속 가능한 포장에 매우 적합하며, 생체 적합성으로 인해 생체 의료 기기에도 사용할 수 있다"라고 강조했다.
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2024-11-08
[신소재 신기술(127)] 일본 연구진, AI 활용해 나트륨 이온 배터리 에너지 밀도 향상

인공지능(AI)을 활용해 나트륨 이온 배터리 에너지 밀도를 향상시키는 기술이 일본에서 개발됐다. 5일(현지시간) 마이닝닷컴에 따르면 일본 도쿄이과대학(TUS) 연구진이 머신러닝을 활용해 고효율 나트륨 이온 배터리를 개발하는 데 성공했다. 머신러닝은 인공지능의 한 분야로 컴퓨터가 명시적으로 프로그래밍되지 않고도, 데이터를 통해 학습하고 경험을 통해 스스로 개선할 수 있도록 하는 기술이다. 코마바 신이치 교수가 이끄는 연구팀은 저렴하고 지속가능한 에너지 저장 솔루션 개발의 핵심 목표인 나트륨 이온 배터리 밀도를 향상시키는 데 집중했다. 나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리에 비해 풍부하고 저렴한 재료를 사용한다는 장점이 있지만, 에너지 밀도가 낮아 상용화에 어려움을 겪어왔다. 연구팀은 다양한 금속 조합을 탐색하여 최적의 배터리 성능을 달성하는 나트륨 기반 층산 산화물 설계에 머신러닝 모델을 적용했다. 실험 데이터를 기반으로 학습시킨 결과, 망간, 니켈, 티타늄, 철을 포함한 효과적인 금속 비율을 찾아냈다. 이러한 혁신적인 접근 방식은 기존의 시행착오 방식에 비해 배터리 재료 개발 시간과 비용을 단축할 수 있다. 연구 결과는 재료과학 저널 A(Journal of Materials Chemistry A) 온라인 판에 게재됐다. 차세대 배터리로 주목 나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리를 대체할 차세대 배터리로 주목받고 있다. 먼저 나트륨은 지구상에서 여섯 번째로 풍부한 원소로, 리튬에 비해 훨씬 저렴하고 쉽게 구할 수 있다. 리튬은 특정 지역에 매장량이 집중되어 가격 변동성이 크지만, 나트륨은 전세계적으로 고르게 분포되어 있어 안정적인 공급이 가능하다. 이는 배터리 생산 비용을 절감하여 전기자동차(EV), 에너지 저장 시스템 등의 가격 경쟁력을 높이는데 기여할 수 있다. 나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리보다 열적으로도 안정적이며, 과충전이나 과방전 시에도 화재나 폭발 위험이 낮다. 특히 저온 환경에서도 성능 저하가 적어 극한 환경이나 추운 지역에서도 안정적으로 사용할 수 있다. 나트륨 이온은 리튬 이온보다 이온 반경이 크기 때문에 전해질 내에서 이동 속도가 빠르다. 이는 배터리 이동 속도를 향상시켜 전기차 충전 시간을 단축하는 데 도움이 될 수 있다. 게다가 나트륨은 리튬보다 독성이 낮고 재활용이 용이해 친환경적인 에너지 저장 솔루션을 제공할 수 있다. 또한 나트륨 이온 배터리는 리튬 이온 배터리와 유사한 생산 공정을 사용할 수 있어 기존 리튬 이온 배터리 생산 시설을 활용할 수 있다. 이는 나트륨 이온 배터리 생산을 위한 초기 투자 비용을 절감하고 빠른 상용화를 가능하게 할 수 있다. 하지만 아직 에너지 밀도와 수명 측면에서 개선의 여지가 남아 있으며, 이러한 과제를 해결하기 위한 연구 개발이 활발히 진행중이다. 코마바 교수는 "배터리 연구에서 머신러닝의 성공적인 적용은 다른 분야의 재료 개발을 위한 탬플릿 역할을 하여 광범위한 재료 과학 분야의 혁신을 가속화할 수 있다"고 말했다. 연구팀은 이 기술이 차세대 배터리 개발을 가속화하여 재생 에너지 발전, 전기 또는 하이브리드 자동차, 노트북, 스마트폰과 같은 소비자 전자 제품을 포함한 에너지 저장 기술 전반에 혁명을 일으킬 수 있을 것으로 기대하고 있다.
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2024-11-06
[신소재 신기술(126)] 드론 비롯한 로봇, '고양이 눈' 장착해 목표물 추적…정확도 UP!

고양이의 눈에서 아이디어를 얻은 새로운 컴퓨터 비전 시스템을 통해 정확하게 목표물을 추적할 수 있는 드론이 출현했다. 로봇, 드론, 자율주행차를 비롯한 자율 시스템이 점점 보편화되고 있지만, 모든 환경과 조건에서 사물을 파악하는 데는 여전히 어려움을 겪고 있다. 예를 들어 자율주행차는 비나 안개 등 악조건 속에서는 제 성능이 발휘되지 못한다. 악조건이 자율주행차의 센서와 카메라에 영향을 미치기 때문이다. 그런 가운데, 전문가로 구성된 연구진이 고양이 눈의 구조를 모델로 한 고급 렌즈와 센서를 사용한 새로운 비전 시스템을 설계, 물체 감지 및 인식 능력을 향상시켰다고 라이브사이언스가 전했다. 새로운 컴퓨터 비전 시스템에 대한 연구 결과는 사이언스 어드밴스(Science Advances) 저널에 발표됐다. 연구진이 고양이의 눈을 모델로 선택한 것은 그들이 밝거나 어두운 환경 모두에서 뛰어난 시력을 보여주고 있기 때문이다. 고양이의 동공은 수직 슬릿(사람처럼 원 모양으로 수축하거나 팽창하지 않고 수직으로 좁게 여닫히는 동공) 모양으로, 낮 동안에는 슬릿이 좁아져 빛을 걸러내고 눈부심을 줄여 초점을 맞추는 데 도움이 된다. 밤에는 더 많은 빛을 받아들여 잘 볼 수 있도록 슬릿이 넓어진다. 망막 뒷부분의 반사층인 휘판(tapetum lucidum)은 가시광선을 망막을 통해 반사하고 광수용체가 사용할 수 있는 빛을 늘려 시야를 개선한다. 이와 마찬가지로, 개발된 새로운 컴퓨터 비전 시스템에는 밝은 조건에서는 불필요한 빛을 걸러내고 주요 물체를 골라내는 슬릿 모양의 조리개가 포함되어 있다. 동시에 고양이 눈에서 발견되는 것과 같은 반사층도 장착해 어두운 조건에서 가시성을 개선했다. 연구 책임자인 한국 광주과학기술원(GIST) 전자공학과 송영민 교수는 "로봇 카메라는 특히 조명 조건이 바뀔 때 혼잡하거나 위장된 배경에서 특정 물체를 찾는 데 어려움을 겪는 경우가 많다. 개발된 시스템은 로봇이 불필요한 부분은 흐리게 처리하고 목표 물체에 초점을 맞추도록 함으로써 이를 해결했다"고 말했다. 송 교수는 또 컴퓨터 비전 시스템은 무거운 컴퓨터 처리에 의존하지 않고 특수 렌즈가 이를 대신하기 때문에 에너지 효율성이 더 높다고 설명했다. 연구진이 이 시스템을 테스트했을 때, 대상 물체에 초점을 맞추면서도 배경 물체를 성공적으로 흐리게 처리한다는 사실을 발견했다. 연구진은 또 인간의 두뇌와 유사한 방식으로 정보를 처리하도록 설계된 머신러닝 알고리즘 모음인 신경망을 사용해 시스템이 중요한 물체를 더 잘 인식하도록 지원했다. 연구진은 이 시스템을 실용적으로 상업화하기 위해서는 시야, 즉 카메라 센서의 화소를 높이고 해상도를 개선해야 한다고 덧붙였다. 그러나 미래에는 군용 드론 및 감시 로봇을 포함한 여러 용도로 사용될 수 있을 것이라고 전문가들은 기대했다. 특히 이 기술은 로봇이 관측하기 매우 어려운 끊임없이 변화하는 환경에서 표적을 탐지, 추적 및 인식할 수 있을 만큼 발전할 수 있을 것으로 예상된다.
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2024-11-04
[신소재 신기술(125)] 양자 '슈뢰딩거의 고양이' 23분간 유지 성공…양자역학 새 지평 열어

과학자들이 양자 고양이 상태를 무려 23분(1400초) 이상 유지해 기존 기록을 경신했다. 중국 과학기술대학교 연구진이 '슈뢰딩거의 고양이' 상태를 1400초(약 23분 33초) 동안 유지하는 데 성공했다는 연구 결과를 발표했다고 IFL사이언스가 전했다. 이는 양자 중첩 상태를 장시간 유지한 세계 최장 기록으로, 고정밀 특정 및 양자 컴퓨터 정보 처리 분야에 새로운 가능성을 제시할 것으로 기대된다. 슈뢰딩거의 고양이는 양자역학의 원리를 설명하는 데 자주 사용되는 비유로 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 1935년에 고안한 사고 실험이다. 이 실험은 양자 역학의 불완전함을 보여주기 위해서 고안됐다. 실험 원리는 다음과 같다. 상상속의 밀폐된 상자 안에 고양이 한 마리가 들어있다. 또 상자 안에는 방사성 물질과 연결된 독가스 장치가 있다. 방사성 물질은 1시간 안에 50%의 확률로 붕괴한다. 만약 붕괴하면 독가스가 방출되어 고양이가 죽고, 붕괴하지 않으면 고양이가 살아 있다. 여기서 중요한 점은 상자를 열어보기 전까지는 고양이가 죽었는지 살았는지 확인할 수 없다는 것이다. 양자역학에 따르면, 상자를 열어 확인하기 전까지 고양이는 죽어 있는 상태와 살아 있는 상태가 중첩되어 존재한다. 즉, 고양이는 살아 있으면서 죽어 있는 상태다. 슈뢰딩거는 이 실험을 통해 양자역학의 '중첩' 해석에 의문을 제기했다. 거시세계에서는 고양이가 죽었거나 살았거나 둘 중 하나이며 중첩된 두 가지 상태가 동시에 존재할 수 없기 때문이다. 즉, '슈뢰딩거의 고양이'는 양자역학의 불확실성을 설명하는 사고 실험으로, 상자 속 고양이가 살이 있는 상태와 죽어 있는 상태가 중첩되어 존재한다는 개념이다. 연구팀은 1만개의 이터븀 원자를 절대영도보다 몇 천분의 1도 높은 온도로 냉각시키고 빛을 이용하여 포획하는 실험을 진행했다. 각 원자는 정밀하게 제어되어 두 가지 스핀 상태의 중첩 상태, 즉 '양자 고양이' 상태를 형성했다. 이번 연구에서 주목할 점은 양자 고양이 상태의 유지 기간이다. 자연 상태에서는 중첩 상태가 순식간에 붕괴되지만, 이번 실험에서는 1400초 동안 유지됐다. 연구진은 진공 개념을 개선하면 유지 시간을 더욱 늘릴 수 있을 것으로 예상했다. 인도 캘거리 대학교의 배리 센더스 교수는 "이터븀 원자를 이용해 안정적인 양자 고양이 상태를 구현한 것은 놀라운 성과"라며 "이를 통해 미세한 외부 영향을 감지하고 상호 작용을 연구하는 데 활용할 수 있다"고 평가했다. 센더스 교수는 이 연구에 참여하지는 않았다. 이번 연구는 이터븀 원자를 이용한 장치가 자기장 측정에 매우 민감하게 반응한다는 사실을 밝혀냈으며, 다양한 분야의 응용 가능성을 제시했다. 양자역학 분야에서는 지난해에 16 마이크로그램의 결정을 중첩 상태로 만드는 실험이 성공하는 등 끊임없는 혁신이 이루어지고 있다. 이번 연구 결과는 아직 동료 평가를 받지 않았으며, 관련 논문은 아카이브(arXiv)에서 확인할 수 있다.
- IT/바이오
2024-11-01
[신소재 신기술(124)] COF 소재, 탄소 포집 능력 극대화⋯소량으로도 효과 탁월

소량의 물질로 대기 중 이산화탄소를 효과적으로 제거하는 새로운 탄소 포집 기술이 미국에서 개발됐다. 이산화탄소를 비롯한 온실가스는 배출은 쉽지만, 이를 다시 포집하는 것은 어려운 과제였다. 대기 중 탄소를 제거하는 기술은 기후 위기의 영향을 줄이는 중요한 방법이지만, 아직 많은 기술이 설계 단계에 있거나 효율성이 낮아 실질적인 효과를 거두기가 어려웠다. 미국 캘리포니아 버클리캠퍼스(UC Berkeley) 연구팀은 대기 중 이산화탄소(CO₂)를 직접 포집하는 과정을 단순화하는 새로운 기술을 개발했다고 홈페이지를 통해 발표했다. 해당 내용은 IFL사이언스에서 다루었다. 현재 이산화탄소를 포집하는 기술은 크게 자연 기반 기술과 인공 기술로 나눌 수 있다. 먼저 자연 기반 기술에는 나무를 심고 관리하는 방법이 있다. 가장 오래되고 검증된 방법이지만 토지 이용에 제약이 있고 효과가 나타나기까지 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다. 또한 토양의 탄소를 제거해 대기 중 이산화탄소 농도를 낮추는 방법과 해조류 등을 통해 해양의 이산화탄소 흡수 능력을 향상시키는 해양 기반 기술이 있다. 인공 기술 중 직접 공기 포집(DAC)은 공기 중 이산화탄소를 직접 포집해 저장하거나 활용하는 기술이다. 이는 토지 사용 면적이 적고, 이산화탄소를 직접 제거해 효과가 빠르다. 그밖에 이산화탄소를 암석이나 광물과 반응시켜 탄산염 형태로 저장하는 기술, 바이오에너지 탄소 포집 및 저장(BECCS) 등이 있다. 나사(NASA) 과학자들에 따르면 인간 활동의 여파로 현재 이산화탄소 수치는 산업혁명 이전보다 50% 더 높다. COF 소재란? UC버클리 연구팀이 이번에 개발한 새로운 탄소 포집 기술인 다공성 소재 '공유 결합 유기 골격(COF)'은 기존 DAC 기술의 한계 중 하나인 물이나 기타 오염 물질에 의한 분해 없이 주변 공기에서 CO₂를 포집한다. 이 기술의 핵심은 '공유 결합 유기 골격-999(COF-999)'라는 소재이다. COF-999는 규칙적인 내부 기공을 가진 단단한 결정 구조로, 이산화탄소와 상호 작용하는 아민(amine, NH₂ 그룹)으로 내부가 장식되어 있다. 아민은 이산화탄소를 흡착한 후 방출하는 사이클을 통해 탄소를 포집하고 저장하는 데 사용될 수 있다. 이 기술은 기존 탄소 포집 기술의 한계를 극복하는 획기적인 발전으로 평가 받는다. 기존 탄소 포집 기술은 이산화탄소 농도가 높은 곳에서 효과적으로 작동했다. 반면, 연구팀이 개발한 새로운 다공성 물질은 공기 중의 이산화탄소가 다공성 물질 사이를 통과하면서 흡착되는 방식으로, 대기 중의 낮은 이산화탄소 농도를 효율적으로 제거할 수 있다. 연구 책임자인 오마르 야기 교수는 "이 물질을 튜브에 넣고 버클리의 바깥 공기를 통과 시켰더니 공기 중 이산화탄소가 완전히 제거되었다"며 "성능 면에서 비교할 대상이 없을 정도로 획기적인 기술"이라고 강조했다. 소량으로도 높은 탄소 포집 효과 연구팀은 250g의 물질로 1년에 20kg의 이산화탄소를 제거할 수 있을 것으로 예상했다. 팀은 이는 다 자란 나무가 1년 동안 공기 중의 이산화탄소를 제거하는 것과 같은 효과를 지닌다며, 기존 탄소 포집 시스템과 함께 사용하여 효율성을 높일 수 있다고 설명했다. 야기 교수는 "COF-999는 화학적 및 열적으로 안정적인 구조를 가지고 있으며, 에너지 소비가 적고 100회 이상 사용해도 성능 저하가 없다"며 "대기 중 탄소 포집에 가장 적합한 물질"이라고 설명했다. 머신러닝 활용으로 기술 개선 기대 연구팀은 머신러닝 기술을 활용해 이 기술을 더욱 발전시킬 계획이다. 이와 더불어 기후 위기를 늦추기 위해서는 배출량 감소 노력과 파리협정 준수가 중요하다고 강조했다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 네이처(Nature)에 게재됐다.
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2024-10-25
[신소재 신기술(123)] NASA, 중력파 관측소용 프로토타입 망원경 공개

나사(NASA)가 블랙홀과 다른 우주적 근원이 합쳐지면서 발생하는 시공간 파장인 중력파를 우주에서 감지할 수 있는 6개의 실물 크기 프로토타입 우주 망원경을 홈페이지를 통해 공개했다. 우주 망원경은 향후 10년 동안 진행될 나사의 우주 미션 리사(LISA: Laser Interferometer Space Antenna) 임무에 사용될 계획이다. 망원경은 2개가 한 쌍을 이루어 우주선에 탑재된다. 중력파를 관측하는 차세대 리사 임무는 유럽우주국(ESA)과 나사가 협력해 진행하는 미션으로, 레이저를 사용해 태양보다 더 광대하게 분산된 3대의 우주선 사이의 정확한 거리를 측정해 중력파를 감지하는 것이다. 거리 측정은 피코미터 또는 1조 분의 1미터 수준의 정밀도로 이루어진다. 삼각형 배열의 각 면은 약 250만km를 측정한다. 미국 메릴랜드주의 나사 고다드 우주비행센터의 라이언 드로사 박사는 "각 우주선에 탑재된 쌍둥이 망원경은 적외선 레이저 빔을 송수신해 동료 우주선을 추적하며, 리사 임무에 쓰이는 6대의 망원경은 나사가 모두 공급한다. 엔지니어링 개발 망원경 유닛(Engineering Development Unit Telescope)이라는 이름의 이 프로토타입은 우주를 비행할 우주선 하드웨어를 제작하는 작업을 지원하게 된다. 뉴욕주 로체스터에 소재한 L3해리스테크놀로지(L3Harris Technologies)에서 제조 및 조립한 프로토타입 망원경은 지난 5월 고다드 센터에 도착했다. 망원경의 주 거울은 적외선 레이저를 매우 잘 반사하고, 차가운 공간에 노출된 상태에서 열 손실을 줄이기 위해 금으로 코팅됐다. 망원경은 실내 온도에 가까울 때 가장 잘 작동한다. 프로토타입 망원경은 모두 독일 마인츠에 소재한 쇼트(Schott)에서 제조한 호박색 유리 세라믹(Zerodur)으로 만들어졌다. 이 소재는 폭넓은 온도 범위에서 모양이 거의 변하지 않기 때문에 망원경 거울과 고정밀이 필요한 응용 분야에 널리 사용된다. 리사 임무는 2030년대 중반에 시작될 예정이다.
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2024-10-24
[신소재 신기술(122)]MRI, AI 모델 학습으로 뇌 이상 진단 정확도 높인다

미국 과학자들이 뇌의 이상을 진단하는 MRI(자기공명영상)의 정확도를 높이는 머신러닝 모델을 개발했다. 캘리포니아대 샌프란시스코(UCSF) 연구팀이 인공지능(AI)을 활용하여 3T MRI 화질을 7T MRI 수준으로 향상시키는 기술을 개발했다고 뉴로사이언스닷컴 뉴스가 전했다. 이 연구는 지난 7일 제27회 의료영상 컴퓨팅 및 컴퓨터 지원 개입 국제 학술대회(MICCAI)에서 발표됐다. 수석 연구 저자인 UCSF 신경과 조교수인 레자 아바시아슬(Reza Abbasi-Asl)은 "저희 논문은 낮은 품질의 이미지에서 고품질 MRI를 합성하는 머신러닝 모델을 소개한다. 이 AI 시스템이 외상성 뇌 손상에서 MRI로 포착한 뇌 이상을 시각화하고 식별하는 방법을 보여준다"고 설명했다. 저품질 MRI 영상의 고품질화 3T MRI와 7T MRI의 가장 큰 차이점은 자기장의 세기이다. 숫자가 높을수록 자기장이 강하다는 것을 의미하며, 이는 영상의 해상도와 선명도에 직접적인 영향을 미친다. 7T MRI는 3T MRI보다 두 배 이상 강력한 자기장을 사용하기 때문에 더욱 선명하고 상세한 이미지를 얻을 수 있다. 연구팀은 경도 외상성 뇌 손상(TBI) 환자의 3T MRI 영상 데이터를 사용하여 AI 모델을 학습시켰다. 이 모델은 3T MRI 영상을 기반으로 7T MRI와 유사한 고품질 영상을 생성하며, 뇌 병변의 경계를 더욱 선명하게 보여주어 진단 정확도를 높이는 데 기여할 수 있다. 참고로, 미국에서 대부분의 임상 MRI는 1.5T 또는 3T MRI 시스템으로 수행된다. 미국국립보건원(NIH)은 2022년 전 세계적으로 진단 영상에 사용되는 7T MRI는 약 100대에 불과하다고 밝혔다. 신경 퇴행성 진단 활용 기대 연구 결과, 합성된 7T MRI 영상은 실제 7T MRI와 비슷한 수준의 해상도를 보였으며, 뇌 병변의 경계를 더욱 명확하게 구분하고 미세 출혈을 더 잘 포착하는 것으로 나타났다. 특히, 백질 병변 내 다양한 특징을 더욱 세밀하게 보여주어 다발성 경화증과 같은 신경 퇴행성 질환 진단에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 이 기술은 뇌의 해부학적 구조를 세밀하게 관찰해야 하는 TBI 및 다발성 경화증 환자의 진단 및 치료에 도움을 줄 수 있을 것으로 예상된다. 하지만 연구팀은 "AI 기반 합성 기술이 임상 현장에 적용되기 위해서는 광범위한 검증이 필요하다"며 "향후 모델 결과에 대한 임상적 평가, 모델 생성 영상에 대한 임상 등급 평가, 모델의 불확실성 정량화 등 추가 연구가 필요하다"고 밝혔다. 이번 연구는 AI 기술이 저사양 영상 장비의 한계를 극복하고 의료 영상의 품질을 향상시키는 데 기여할 수 있음을 보여주는 사례로, 의료 분야에서 AI 기술의 활용 가능성을 더욱 확대할 것으로 기대된다.
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2024-10-18
[신소재 신기술(121)] 중국 연구진, 맥박 측정 로봇 손가락 개발

로봇 손은 산업계에 다양한 용도로 쓰이지만, 로봇 손의 촉각은 인간의 그것에 비하면 다소 떨어진다. 그런데 중국의 연구진이 인간의 맥박을 측정할 수 있는 로봇 손을 설계해 주목된다고 더레지스터가 전했다. 중국 과학기술대학의 연구진은 센서를 사용하여 로봇이 압력의 정확한 변화를 감지하고, 인간 손가락에 필적하는 민첩성으로 움직일 수 있는 생체 영감 소프트 핑거(BSF)를 개발했다. 이는 셀(Cell)에 게재됐다. 발표된 논문에서 연구진은 로봇이 새롭게 적용된 감각을 사용해 사람의 맥박을 측정하고, 혹을 확인하거나, 환자가 의사를 상대할 때 당황하지 않도록 다른 인체 검사를 수행할 수 있을 것이라고 밝혔다. 연구진의 일원인 감지 기술 과학자인 왕홍보는 "이처럼 손재주가 있는 로봇 손가락은 미래의 병원에서 의사처럼 '로보닥터' 역할을 수행할 수 있다고 믿는다"라고 설명했다. 그는 "기계학습과 결합하면 자동 로봇 검사 및 진단이 가능하며, 특히 의료 전문가가 턱없이 부족한 외딴 미개발 지역에서 유용할 것으로 기대한다"고 부연했다. 129mm 길이의 손가락 로봇은 부드럽고 유연한 광중합(포토폴리머) 수지 프레임워크에 내장된 공기 제어 액추에이터를 사용하며, 두 개의 전도성 섬유 코일이 내장되어 있다. 첫 번째 코일은 손가락의 움직임을 제어하고 두 번째 코일은 손가락 끝부분에 설치돼 매우 민감한 고감도 압력 센서와 연결된다. 실험에서 로봇 손가락은 실리콘 시트에 내장된 인공 덩어리를 식별할 수 있었으며, 실험 대상자의 동맥을 찾아 심박수를 정확하게 판독해 인간의 맥박을 측정했다. 논문에서는 "BSF는 인간의 손가락과 마찬가지로 작동 및 굽힘 감지 모두 50ms의 실시간 응답시간으로 손가락 끝의 힘을 감지할 수 있었으며, 굽힘 각도에 대해서는 0.02, 힘에 대해서는 0.4mN의 높은 감지 해상도를 제공한다"라고 설명했다. 또한 "제안된 BSF의 굽힘 및 힘 감지는 자체 분리되어 있으며 반복성이 높다. 가장 중요한 점은 BSF의 감지 및 작동이 모두 안정되며, 실용적인 응용 분야에서 기계적으로 내구성이 있다는 것"이라고 덧붙였다. 로봇 손가락의 장점은 특히 인간 의사, 특히 이성 의사가 검진하는 것을 불편해하는 환자가 편하게 사용할 수 있다는 것이다. 또한 의사를 전혀 만나지 않고도 집에서 예방적 검진을 위해 사용할 수 있다. 연구진은 또 키 입력에 필요한 힘을 스스로 판단해 손가락이 올바르게 타이핑하는 능력도 보여주었다. 제어를 위해 기계학습을 사용함으로써 민감성과 유용성 면에서 인간과 맞먹는 로봇 손을 만들 수도 있다. 연구진은 "정확한 감지 데이터를 널리 활용하고 BSF 기반 생물에서 영감을 손에서 기계학습 기반 감지 데이터 제어를 적용함으로써 인간과 같은 '촉감, 느낌, 시도, 학습, 조작' 및 정교한 인간-로봇 상호 작용을 실현할 수 있다"고 밝혔다.
- IT/바이오
2024-10-15
[신소재 신기술(120)] 염수 폐수를 콘크리트로 변환하는 혁신 기술 나왔다

핀란드의 오울루 대학교(University of Oulu) 연구진이 알칼리 활성화를 통해 농축 염수를 안정화해 콘크리트로 변환하는 새로운 처리 기술을 개발했다고 전문 매체 아조빌드가 전했다. 개발된 기술은 염수 폐수를 시멘트 바인더에 통합하는 혁신적 솔루션이라는 평가다. 이 연구 결과는 담수화(Desalination) 저널에 게재됐다. 연구 보고서에 따르면 광산 및 산업에서 나오는 염수 폐수를 결합, 광산 매립과 같은 다양한 용도에 사용할 수 있는 다른 유형의 시멘트 바인더를 만들 수 있다. 일종의 신소재 콘크리트인 셈이다. 이를 통해 매우 농축된 소금 용액을 고체 형태로 안전하게 결합, 비용을 절약하고 환경을 개선할 수 있다. 광업, 재가공 및 배터리 생산과 같은 여러 산업 분야에서는 일반적으로 나트륨, 황산염 및 염화물 등 세 가지 요소가 포함된 염수 폐수를 대량으로 생산한다. 이러한 분야는 녹색 친환경 및 디지털 전환이 특히 필요하다. 이러한 염 자체는 환경에 위험하거나 해롭지는 않다. 동일한 염분이 바닷물에도 널리 퍼져 있다. 그러나 발트해의 낮은 염도, 특히 내륙 담수에서는 생물군에 해로울 수 있다. 예를 들어, 지난 2012년 핀란드 광산업체 탈비바라(Talvivaara)의 광산 사고 이후 소금에 오염된 호수는 영구적으로 성층화돼 호수 바닥의 산소 결핍을 초래할 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 제안된 기술은 칼슘, 실리콘, 알루미늄이 풍부한 원료를 소금물 및 소량의 수산화나트륨과 결합한다. 결과적으로 콘크리트 바인더로 사용할 수 있는, 충분한 강도를 가진 페이스트가 생산된다. 농축 염수, 나트륨, 황산염 및 염화물의 주요 성분은 고체 구조에서 매우 잘 안정화되고 수용성을 잃는 것으로 밝혀졌다. 수용성을 잃는다는 것은 물에 녹지 않아 견고함을 유지한다는 의미다. 이 연구에서는 또한 알칼리 활성 페이스트의 강도가 염도가 높을수록 증가한다는 사실도 발견했다. 단점은 소금이 부식을 일으킬 수 있기 때문에, 이러한 종류의 콘크리트에는 표준 강철 보강재를 사용할 수 없다는 것이다. 염분에 강한 소재가 필요하다. 채취하고자 하는 금속이나 소재를 분리한 후 광산에 남아 있는 폐기물, 즉 광산 잔여물은 별도의 저장지로 옮겨진다. 이 잔여물에는 종종 알칼리 활성화에 필요한 원소인 칼슘, 실리콘, 알루미늄이 대량으로 포함되어 있다. 광산 잔여물은 콘크리트 및 건설 부문에서 점차 활용이 늘면서 인기를 얻고 있다. 신소재와 광산 수질 정화 연구를 진행하고 있는 오울루 대학교가 이번에 제시한 해법은 건설 부문에 새로운 바람을 일으킬 가능성이 높다고 한다. 한편 이번 연구는 유럽연합(EU)의 '차세대(NextGeneration) EU 프로그램'이 공동으로 자금을 지원하는 카이파(KaiPa) 프로젝트의 일부로 수행됐다.
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2024-10-14
[신소재 신기술(119)] 홍합에서 영감 얻은 접착 박테리아, 플라스틱 폐기물 분해 속도 높여

과학자들이 홍합의 자연적인 접착 특성을 활용해 플라스틱 폐기물 분해 속도를 높이고 있다는 희소식이 전해졌다. 미국 라이스 대학교 연구팀은 홍합의 접착력에서 영감을 얻어 플라스틱 표면에 강하게 달라붙는 미생물을 개발했다고 밝혔다. 이 미생물은 플라스틱 분해 효소와 결합하여 플라스틱 폐기물을 효율적으로 분해할 수 있는 가능성을 제시한다. 플라스틱 오염의 가장 큰 문제점은 자연적으로 분해되는 데 수 백년 이상 걸린다는 점이다. 또한 플라스틱은 완전히 분해되지 않고 미세 플라스틱이라는 작은 조각으로 분해된다. 이러한 미세 플라스틱은 토양과 바다를 오염시키고, 먹이 사슬을 통해 동물의 몸속에 축적된다. 결국 이러한 미세 플라스틱은 인간의 식탁까지 올라와 건강에 악영향을 미칠 수 있다. 연구팀은 유전자 코드 확장 기술을 이용해 박테리아 유전자 코드에 홍합의 접착 단백질에 존재하는 도파(DOPA· 3, 4-디하이드록시페닐알라닌)라는 아미노산을 도입했다. 이를 통해 박테리아는 플라스틱의 주요 성분인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 표면에 강하게 부착하고, PET를 분해하는 효소와 함께 작용해 플라스틱 분해 효율을 높였다. 미국은 매년 최대 4천만톤의 플라스틱 폐기물을 배출한다고 인터레스팅엔지니어링이 전했다. PET는 플라스틱의 한 종류로 이 폐기물의 약 64%를 차지한다. PET는 분해되기까지 수 세기가 걸릴 수 있다. 이번 연구를 이끈 화학, 생명과학 및 생명공학 한 샤오(Han Xiao) 부교수는 "이 기술은 플라스틱 오염 문제 해결에 큰 도움이 될 것"이라며 "유전자 코드 확장 기술이 재료 및 세포 공학 분야에서 혁신적인 도구가 될 수 있음을 보여준다"고 설명했다. 생물 부착 방지 기술 활용성 가능성 제시 연구팀은 이 기술이 플라스틱 오염 문제 해결뿐만 아니라 선박, 해양 구조물, 물 처리 시설 등에서 발생하는 생물 부착 문제 해결에도 활용될 수 있다고 밝혔다. 도파를 이용해 변형된 단백질은 다양한 표면에 보호막을 형성해 미생물의 부착을 막는 효과를 나타냈다. 연구팀은 이 기술이 의료 기기, 조직 공학, 약물 전달 등 다양한 생물 의학 분야에도 응용될 것으로 기대하고 있다. 이번 연구 결과는 재료 과학 분야 학술지 '스몰 메서드(Small Methods)'에 게재됐다.
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2024-10-10
[신소재 신기술(118)] 충격파를 눈으로 볼 수 있는 획기적인 고분자 기술

초음속 항공기에서 나는 소닉 붐과 유사한 충격파를 눈으로 볼 수 있는 획기적인 기술이 미국에서 개발됐다. 사진=픽사베이 파동의 한 종류인 충격파를 눈으로 볼 수 있는 획기적인 기술이 개발됐다. 미국 국립표준기술연구소(NIST), 서던 미시시피 대학교, 애리조나 주립대학교, 렌슬러 폴리테크닉 연구소, 그리고 미국 육군 공병대의 연구진들이 고속 충격 시 발생하는 충격파를 시각화할 수 있는 혁신적인 고분자(폴리머·Polymer) 소재를 개발했다고 NIST가 7일(현지시간) 발표했다. 이 획기적인 기술은 뇌 손상 연구, 첨단 제조, 우주 탐사 등 다양한 분야에서 소재가 에너지를 흡수하고 극한 환경에 반응하는 방식에 대한 이해를 혁신적으로 증진시킬 것으로 기대된다. 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재된 이 연구는 기계적 힘을 받으면 빛을 내는 분자 메카노포어(mechanophore)를 포함하는 고분자가 고속 발사체 충돌에 대한 반응을 시각적으로 기록하는 방법을 보여준다. 특히 이 메카노포어는 이전에는 접근이 불가능했던 소재 내부의 변형을 포착하는 데 성공했다. 연구진은 분자 수준의 반응과 첨단 이미징 기술을 결합해 초음속 항공기의 소닉붐과 유사하게 재료 내에서 음속보다 빠르게 이동하는 음향파인 마하 콘(Mach cone)의 형성을 시각화할 수 있었다. NIST 재료 과학 및 공학 부서의 연구원인 폴레트 센텔라스(Polette Centellas)는 "이 고분자는 충격중에 에너지가 재료를 통해 어떻게 이동하는지 '볼 수 있게' 해준다"며 "이는 우주선 차폐에서부터 첨단 보호 장비에 이르기까지 극한 조건을 더 잘 견딜 수 있는 재료를 설계할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다"고 말했다. 이 연구는 고분자에서 이전에 충분히 탐구되지 않았던 에너지 소산 메커니즘인 충격파 감쇠를 밝혀냈다. 전통적으로 재료의 에너지 흡수는 주로 재료가 구부러지거나 파손되는 소성 변형을 통해 발생한다고 여겨졌다. 그러나 이 연구는 고속 충격에서 충격파가 에너지 소산에 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다. 이번 발견은 고속 충격 관리가 중요한 국방에서 의료에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 내수성이 더욱 뛰어나고 강한 소재를 개발하는 데 혁신을 가져올 것으로 기대된다.
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2024-10-08
[신소재 신기술(117)] 오징어에서 영감 받은 온도 조절 의류

기후 변화의 영향으로 계절의 경계가 모호해지면서, 옷차림에 대한 고민이 깊어지고 있다. 특히 간절기에는 일교차가 커서 옷을 선택하기가 쉽지 않다. 10월 초순의 서울만 하더라도 낮에는 섭씨 20도를 웃도는 온화한 날씨지만, 아침저녁으로는 10도 안팎의 쌀쌀함이 감돌아 옷 입기가 난감하다. 즉, 겉옷을 입고 있자니 덥고, 벗자니 춥다. 게다가 개인마다 추위나 더위를 느끼는 정도가 다르기 때문에, 모두를 만족시키는 의류 소재를 찾기란 더욱 어렵다. 일부 스포츠 의류나 기능성 이너웨어 브랜드에서 온도 조절 소재를 사용했다고 홍보하지만, 진정한 의미에서 개인의 열적 필요에 따라 능동적으로 온도를 조절하는 옷은 아직까지 존재하지 않았다. 그러나 최근 자연에서 영감을 얻은 혁신적인 기술이 개발돼 이러한 한계를 극복할 가능성을 제시했다. 미국 연구진이 오징어 피부에 착안해, 착용자의 체온에 따라 온도를 조절하는 혁신적인 의류 신소재를 개발한 것. 이는 단순한 온도 조절 기능을 넘어, 착용자 개개인의 열적 쾌적성을 극대화하는 '스마트 의류' 시대의 도래를 예고한다. 캘리포니아 대학교 어바인 캠퍼스(UCI) 연구팀은 오징어 피부의 색상 변화 메커니즘을 모방하여 통기성, 세탁성, 유연성을 갖춘 온도 조절 신소재를 개발했다고 밝혔다. 해당 내용에 대해서는 어스닷컴과 인터레스팅엔지니어링 등 다수 외신이 보도했다. 오징어 피부는 여러 층으로 구성되어 있으며, 각 층이 빛을 조작하여 색상과 패턴을 바꾼다. 연구팀은 이러한 원리를 이용하여 적외선 스펙트럼에서 작동하는 복합소재를 만들었다. 사람의 몸에서 열이 방출될 때 적외선 복사 형태로 방출되는 데, 이 신소재는 이러한 적외선 방출을 조절해 온도 조절 기능을 한다. 연구 저자인 알론 고로데츠키는 "오징어 피부는 빛을 조작하고 동물의 전체적인 색상과 무늬를 변화시키기 위해 함께 작동하는 여러 층으로 구성된 복잡한 구조"라고 설명했다. 그는 "일부 층에는 발색단이라는 기관이 있는데, 이 기관은(근육의 작용에 따라) 확장된 상태와 수축된 상태를 전환하여 피부가 가시광선을 투과하고 반사하는 방식을 변화시킨다"고 부연했다. 이 복합 소재는 폴리머로 코팅된 구리 섬(copper islands)으로 구성되어 있다. 이 소재는 열카메라가 작동하는 방식처럼 적외선 스펙트럼을 기반으로 작동한다. 소재를 늘리면 구리 섬들이 분리되면서 적외선 투과 및 반사율이 변화한다. 이를 통해 의류의 온도를 미세하게 조절할 수 있다. 이전 연구에서 연구팀은 복합 소재의 적외선 특성을 모델링했으며, 이번 연구에서는 세탁성, 통기성, 직물 통합성을 향상시켰다. 얇은 필름을 추가하여 세탁 내구성을 높였고, 구멍을 뚫어 면직물과 비슷한 통기성을 확보했다. 또한 메쉬 소재에 부착해 직물에 쉽게 통합될 수 있도록 했다. 연구팀은 "이 소재는 스키 재킷, 양말, 장갑, 모자 등 추운 날씨 의류에 적합할 것"이라며 "세탁 가능한 유기 전자 장치, 신축성 있는 전자 섬유, 에너지 수확 마찰 전기 소재 등 다양한 웨어러블 기술에도 활용될 수 있을 것"이라고 기대했다. 이번 연구 결과는 APL 바이오엔지니어링 저널에 게재됐다.
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2024-10-07
[신소재 신기술(116)] 양자 실험으로 '음의 시간' 증거 발견

과학자들이 양자 실험을 통해 '음의 시간' 증거를 발견했다. 캐나다 토론토 대학의 연구팀이 광자가 원자를 통과하는 과정에서 '음의 시간' 현상을 보이는 것을 관찰했다고 밝혔다고 IFL사이언스와 퓨처리즘 등 다수 외신이 전했다. 아직 동료 평가를 거치지 않은 이 연구는 과학 전문 매체 '사이언티픽 아메리칸'에 소개되며 학계의 주목을 받고 있다. 음의 시간은 시간이 마치 거꾸로 흐르는 것처럼 보이는 현상을 말한다. 시간은 일반적으로 과거에서 현재, 미래로 흐른다고 여겨진다. 하지만 양자역학의 세게에서는 시간이 마치 뒤로 가는 것처럼 보이는 현상이 나타날 수 있다. 이것을 '음의 시간' 또는 '시간 역행'이라고 부른다. 연구팀은 광자 펄스를 절대 영도에 가까운 온도의 원자 구름에 발사하는 실험을 진행했다. 그 결과, 광자가 원자에 흡수되지 않고 통과할 때에도 원자는 마치 광자를 흡수한 것처럼 일정 시간 동안 들뜬 상태를 유지하는 현상이 관찰됐다. 반대로 광자가 원자에 흡수된 경우에는 원자가 들뜬 상태에서 바닥 상태로 돌아가기 전에 광자가 다시 방출되는 현상이 나타났다. 이는 광자가 원자를 들뜨게 할 때, 즉 흡수될 때, 원자에 영향을 주지 않고 통과할 때보다 더 빠르게 원자 구름을 통과한다는 것을 의미한다. 연구팀은 이러한 현상을 '음의 시간 지연'이라고 설명하며, 양자역학적 불확정성과 중첩 현상으로 인해 발생한다고 분석했다. 즉, 광자와 같은 양자 입자는 동시에 두 가지 상태로 존재할 수 있으며, 이로 인해 측정 결과는 양수와 음수 값 모두를 가질 수 있다는 것이다. 이 연구는 시간에 대한 우리의 이해를 바꾸는 것은 아니지만, 광학 분야에서 음의 시간이 광자 전송과 관련하여 "일반적으로 인식되어 온 것보다 더 큰 물리적 의미를 가진다"는 것을 시사한다. 하지만 일부 전문가들은 이 연구 결과에 대해 신중한 입장을 보이며, 추가적인 연구를 통해 검증이 필요하다고 지적했다.
- IT/바이오
2024-10-04

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