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[우주의 속삭임(100)] 화성의 붉은색, 냉수 속 철 산화물 '페리하이드라이트' 때문일 가능성 제기
- 화성을 상징하는 붉은 색은 건조 광물인 '적철석' 이 아닌, 물이 풍부한 철광물인 페리하이드라이트(ferrihydrite) 때문이라는 의견이 제기됐다. 화성은 특유의 붉은색으로 인해 오랜 기간 '붉은 행성'으로 불렸다. 최근 과학계는 이 독특한 색채의 기원을 밝혀낼 잠재적 단서를 발견해, 기존의 통념을 뒤집는 새로운 이론을 제시했다. 화성의 먼지는 산화철을 포함한 다양한 광물이 뒤섞인 것으로 알려져 있다. 새로운 연구에 따르면 산화철 중 하나인 물이 풍부한 페리하이드라이트가 화성의 붉은 색의 원인이라고 미국 항공우주국(나사·NASA)은 설명했다. 미국 브라운 대학교 지구·환경·행성 과학부의 박사후 연구원인 주저자 애덤 발란티나스는 "화성이 왜 붉은지에 대한 근본적인 질문은 아마도 수천 년에서 수백 년 동안 이어져 왔다"고 말했다. 발란티나스는 "저희 분석에 따르면 페리하이드라이트는 먼지의 모든 곳에 있으며 아마도 암석 형성에도 있을 것이다. 페리하이드라이트가 화성이 붉은 이유라고 생각한 것은 처음은 아니지만, 관찰 데이터와 새로운 실험 방법을 사용해 실험실에서 화성 먼지를 만들어 테스트할 수 있다"고 설명했다. 화성은 지구 가까이에 위치한 거리 상의 이점과 수십년 동안 탐사선을 보냄으로써 태양계에서 가장 광범위하게 연구된 행성 중 하나다. 궤도선과 착륙선은 화성의 붉은색이 행성을 뒤덮은 먼지 속 산화된 철 광물에서 비롯된다는 자료를 제공해 왔다. 과거 화성 암석 속 철은 물 또는 물과 대기 중 산소와 반응하여 지구에서 녹이 형성되는 것과 유사한 방식으로 산화철을 생성했다. 수십억 년에 걸쳐 산화철은 먼지로 분해되어 화성의 바람에 의해 이동하며 행성 전체에 퇴적되었고, 이는 현재에도 먼지 회오리와 대규모 먼지 폭풍을 일으키고 있다. 미국 브라운대학교 연구팀이 시뮬레이션된 화성 먼지를 보여주는 실험실 샘플. 황토색은 철분이 풍부한 페리히드라이트의 특징으로, 화성의 고대 물 활동과 환경 조건에 대한 중요한 통찰력을 제공하는 광물이다. 이 미세 분말 혼합물은 페리히드라이트와 현무암으로 구성되어 있으며 입자 크기가 1마이크로미터(머리카락 지름의 1/100) 미만이다(샘플 규모: 가로 1인치). 사진=애덤 발란티나스 그동안 우주선의 관측에만 의존한 화성 산화철 분석에서는 물의 흔적이 감지되지 않아 연구자들은 산화철이 적철석(hematite)일 것이라는 가설을 세웠다. 철광석의 주요 구성 성분인 건조 광물 적철석은 수십억 년에 걸쳐 화성 대기와의 반응을 통해 형성되었을 것으로 추정됐다. 이는 적철석이 화성 표면에 호수와 강이 존재했던 것으로 추정되는 시기 이후에 형성되었음을 의미했다. 그러나 브라운대학교 연구팀은 다수의 탐사 임무에서 수집된 자료와 모사된 화성 먼지를 결합한 새로운 연구 결과는 적철석이 아닌 냉수 환경에서 형성되는 광물인 페리하이드라이트(ferrihydrite)가 붉은색의 원인일 수 있다는 가능성을 제시했다. 이는 수백만 년 전 화성의 환경과 잠재적 거주 가능성에 대한 과학적 이해를 변화시킬 수 있음을 시사한다. 해당 연구 결과는 지난 25일 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 발표됐다. 연구를 주도한 애덤 발란티나스 박사후 연구원은 "화성은 여전히 붉은 행성이다. 다만, 화성이 왜 붉은색인지에 대한 우리의 이해가 변화했을 뿐이다"라고 밝혔다. 지구 실험실서 화성 먼지 재연 연구팀은 유럽우주국(ESA)의 화성 익스프레스 궤도선과 엑소마스 미량 가스 궤도선, 그리고 NASA의 화성 정찰 궤도선과 큐리오시티, 패스파인더, 오퍼튜니티 로버에서 수집된 자료를 활용했다. 미량 가스 궤도선의 CaSSIS 컬러 카메라는 화성 먼지 입자의 정확한 크기와 구성을 밝혀 연구자들이 지구에서 자체적으로 먼지를 제작할 수 있도록 했다. 연구진은 다양한 유형의 산화철을 사용하여 실험실에서 자체적인 화성 먼지를 만들었다. 모사된 먼지는 특수 분쇄기를 통해 화성의 먼지와 동일한 크기의 입자로 제작됐으며, 두께는 사람 머리카락의 1/100에 해당한다. 연구팀은 화성 궤도를 돌며 행성을 연구하는 궤도선에서 사용하는 기술과 유사한 X선 기계와 반사 분광계를 사용하여 먼지를 분석했다. 이후 실험실 자료와 우주선 자료를 비교했다. 발란티나스 연구원은 화성 익스프레스의 OMEGA 반사 분광계는 화성의 먼지가 가장 많은 지역에서도 물이 풍부한 광물의 증거를 보여주었으며, CaSSIS 자료는 실험실 시료와 비교했을 때 적철석이 아닌 페리하이드라이트가 화성 먼지와 가장 잘 일치한다는 것을 보여줬다고 밝혔다. CaSSIS 카메라 개발을 주도한 스위스 베른 대학교 물리학 연구소의 니콜라스 토마스 교수는 "우리는 현무암과 혼합된 페리하이드라이트가 화성에서 우주선이 관측한 광물과 가장 잘 일치한다는 것을 발견했다"고 말했다. 미량 가스 궤도선 자료를 사용하여 스위스 베른 대학교에서 연구를 시작한 발란티나스 연구원은 "주요 시사점은 페리하이드라이트가 표면에 물이 존재했을 때만 형성될 수 있기 때문에 화성이 우리가 이전에 생각했던 것보다 더 일찍 녹슬었다는 것이다. 또한 페리하이드라이트는 현재 화성의 조건에서도 안정적으로 유지된다"고 밝혔다. 물이 풍부했던 과거 화성 발란티나스 연구원은 화성의 붉은색에 대한 미스터리가 수천 년 동안 지속되어 왔다고 말했다. 유럽우주국(ESA)에 따르면 로마인들은 화성의 색이 피를 연상시킨다는 이유로 전쟁의 신의 이름을 따서 화성이라고 명명했으며, 이집트인들은 화성을 '헤르 데셰르(Her Desher)', 즉 "붉은 것"이라고 불렀다. 발란티나스 연구원은 화성의 색이 물이 없는 형태의 녹인 적철석이 아닌 페리하이드라이트와 같은 물을 함유한 녹슨 광물 때문일 수 있다는 사실이 연구진을 놀라게 했다고 말했다. 하지만 이는 화성의 지질학적, 기후학적 역사에 대한 흥미로운 단서를 제공한다고 그는 덧붙였다. 발란티나스는 "물이 함유된 녹이 화성 표면 대부분을 덮고 있다는 것은 화성의 고대 과거에 액체 상태의 물이 이전에 생각했던 것보다 더 광범위하게 존재했을 수 있음을 시사한다. 이는 화성이 한때 액체 상태의 물이 존재했던 환경을 가지고 있었음을 의미하며, 물은 생명체의 필수 조건이다. 우리 연구는 화성에서 페리하이드라이트 형성에 산소(대기 또는 다른 출처에서)와 철과 반응할 수 있는 물이 모두 필요했음을 보여준다"고 말했다. 페리하이드라이트, 30억년 전 생성 가능성 이번 연구는 광물이 정확히 언제 형성되었는지 밝히는 데 초점을 맞추지는 않았다. 하지만 페리하이드라이트는 냉수에서 형성되기 때문에 수백만 년 전 화성이 더 따뜻하고 습했던 시기가 아닌 약 30억 년 전에 생성되었을 가능성이 있다. 발란티나스는 "이 시기는 화성에서 격렬한 화산 활동이 일어나 얼음이 녹는 현상과 물과 암석 사이의 상호작용을 촉발하여 페리하이드라이트 형성에 유리한 조건을 제공했을 가능성이 높은 시기였다. 이 시기는 화성이 초기 습한 상태에서 현재의 사막 환경으로 전환되는 시기와 일치한다"고 말했다. 페리하이드라이트는 먼지뿐만 아니라 화성 암석층에도 존재할 가능성이 있다. 이를 확인하는 가장 좋은 방법은 붉은 행성에서 암석과 먼지 실제 표본을 확보하는 것이다. 퍼시비어런스 로버는 이미 암석과 먼지를 포함하는 여러 표본을 수집했으며, NASA와 ESA는 화성 표본 귀환 프로그램(Mars Sample Return program)을 통해 2030년대 초까지 지구로 가져오는 것을 목표로 하고 있다. ESA의 미량 가스 궤도선 및 화성 익스프레스 프로젝트 과학자인 콜린 윌슨은 "이 귀중한 표본을 실험실로 가져오면 먼지에 페리하이드라이트가 얼마나 포함되어 있는지, 그리고 이것이 화성의 물의 역사와 생명체 존재 가능성에 대한 우리의 이해에 어떤 의미를 갖는지 정확히 측정할 수 있을 것"이라고 밝혔다. 한편 이번 연구 결과는 발란티나스 연구원과 동료들에게 먼지 폭풍을 통해 화성 전체로 퍼져나가기 전 페리하이드라이트의 원래 생성 위치와 페리하이드라이트가 형성되었을 때 화성 대기의 정확한 화학적 구성 성분 등 새로운 미스터리를 안겨주었다. 호건 교수는 먼지가 언제 어디서 형성되었는지 이해하는 것은 과학자들이 초기 지구와 유사한 행성의 대기가 어떻게 진화했는지에 대한 통찰력을 얻는 데 도움이 될 수 있다고 말했다. 호건 교수는 "페리하이드라이트는 눈이 녹거나 따뜻한 기후에서 짧은 기간 동안 강렬한 강우로 인해 단기간에 많은 물이 이동하는 지구의 토양에서 매우 흔하게 발견된다. 우리는 또한 (큐리오시티 로버가 탐사하고 있는 화성의) 게일 분화구의 호수 퇴적물에서도 페리하이드라이트의 증거를 발견했다. 이 퍼즐을 풀 수 있는 가장 좋은 방법은 화성 먼지 표본을 지구의 실험실로 가져오는 것이다"라고 덧붙였다.
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- 포커스온
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[우주의 속삭임(100)] 화성의 붉은색, 냉수 속 철 산화물 '페리하이드라이트' 때문일 가능성 제기
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[신소재 신기술(158)] 반도체 나노플레이트 약점 활용 나노스케일 조립 기술 혁신
- 카드뮴 셀레나이드(CdSe) 나노플레이트의 취약점을 활용한 혁신적인 반도체 나노스케일(구조체) 조립 기술이 개발됐다. 카드뮴 셀레나이드 나노판은 혁신적인 전자 소재 개발의 유망한 기반으로 주목받고 있다. 특히, 이 나노판은 원자 몇 개 두께에 불과한 초박형 구조로 뛰어난 광학적 특성을 제공해 전 세계 연구자들의 관심을 끌고 있다. 독일 헬름홀츠 드레스덴-로젠도르프 센터(HZDR), 드레스덴 공과대학교(TU Dresden), 라이프니츠 고체 및 재료 연구소 드레스덴(IFW) 공동 연구팀은 카드뮴 셀레나이드 나노판의 체계적인 생산을 위한 중요한 진전을 이루었다고 웹사이트 PHYS가 전했다. 카드뮴 셀레나이드 나노판은 빛이나 공기에 노출될 경우 표면 산화 또는 구조 변화가 발생해 광학적 특성이 저하될 수 있는 취약점이 있다. 특히 고온이나 습도가 높은 환경에서는 광학적 안정성이 더욱 떨어질 수 있다. 또한 제조 과정이 어려워 균일한 형태와 크기의 카드뮴 셀레나이드 나노판을 대량 생산하는 것은 기술적으로 힘들다. 게다가 카드뮴 셀레이트 나노판의 표면을 안정화하거나 다른 물질과 결합하는 과정에서도 어려움이 발생할 수 있다. 연구팀은 학술지 '스몰(Small)'에 카드뮴 셀레나이드 나노판 구조와 기능 간의 상호 작용에 대한 기초적인 통찰력을 얻었다고 발표했다. 연구에 따르면 카드뮴 기반 나노판은 근적외선(NIR)과 특정 상호 작용을 통해 빛을 흡수, 반사, 방출하거나 다른 광학적 특성을 나타내는 2차원 물질 개발에 적합하다. 이러한 스펙트럼 범위는 다양한 기술 분야에서 활용될 수 있다. 예를 들어, 의료 진단에서는 NIR 빛이 가시광선보다 조직에서 산란이 적어 조직 내부를 더 깊이 관찰할 수 있다. 통신 기술에서는 고효율 광섬유 시스템에 NIR 물질이 사용되며, 태양 에너지 분야에서는 광전지 효율을 높일 수 있다. HZDR 이온빔 물리학 및 재료 연구소의 리코 프리드리히 박사 겸 드레스덴 공과대학교 이론 화학과 교수는 "원하는 광학적 및 전자적 특성을 나타내도록 물질을 특정하게 변형하는 능력은 이러한 모든 응용 분야에서 매우 중요하다"고 말했다. 드레스덴 공과대학교 물리 화학과의 알렉산더 아이히뮐러 교수는 "과거에는 나노 화학 합성이 시행착오를 통해 물질을 혼합하는 것에 가까웠기 때문에 어려움이 있었다"고 덧붙였다. 두 과학자는 공동으로 협력해 이번 연구 프로젝트를 이끌었다. 정밀한 나노 입자 생산을 위한 양이온 교환 여기서 특별한 과제는 나노 구조체의 폭과 길이를 변경하지 않고 원자층의 수와 조성을 특정하게 제어하여 두께를 조절하는 것이다. 이러한 복잡한 나노 입자 합성은 재료 연구의 핵심 과제이다. 양이온 교환은 이러한 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 했다. 이 방법에서는 나노 입자의 특정 양이온(양전하를 띤 이온)을 다른 이온으로 체계적으로 대체한다. 아이히뮐러 교수는 "이 과정은 조성과 구조를 정밀하게 제어하여 기존 합성 방법으로는 얻을 수 없는 특성을 가진 입자를 생산할 수 있게 한다. 그러나 이 반응의 정확한 작동 방식과 시작점에 대해서는 알려진 것이 거의 없다"고 설명했다. 이번 프로젝트에서 연구팀은 활성 모서리가 중요한 역할을 하는 나노판에 초점을 맞췄다. 이러한 모서리는 화학적으로 특히 반응성이 높아 판들을 조직화된 구조로 결합할 수 있다. 이러한 효과를 더 잘 이해하기 위해 연구팀은 정교한 합성 방법, 원자 분해능 (전자)현미경, 광범위한 컴퓨터 시뮬레이션을 결합했다. 나노 입자의 활성 모서리와 결함은 화학적 반응성뿐만 아니라 광학적 및 전자적 특성으로도 흥미롭다. 이러한 위치는 종종 전하 운반체의 농도가 높아 운반체의 이동과 빛의 흡수에 영향을 미칠 수 있다. 프리드리히 박사는 "단일 원자 또는 이온을 교환하는 능력과 결합하여 단일 원자 촉매에서 이러한 결함을 활용하여 개별 원자의 높은 반응성과 선택성을 활용하여 화학 공정의 효율성을 높일 수 있다"고 설명했다. 이러한 결함의 정밀한 제어는 나노 물질의 NIR 활성에도 중요하다. 이는 근적외선이 흡수, 방출 또는 산란되는 방식에 영향을 미쳐 광학적 특성을 체계적으로 최적화할 수 있는 방법을 제공한다. 나노 구조체 연결, 자기 조직화를 향한 발걸음 이 연구의 또 다른 결과는 활성 모서리를 통해 나노판을 체계적으로 연결하여 입자를 정렬되거나 자기 조직화된 구조로 결합할 수 있다는 것이다. 미래 응용 분야에서는 이러한 조직화를 활용하여 NIR 활성 센서 또는 새로운 유형의 전자 부품과 같은 통합 기능을 갖춘 복잡한 재료를 생산할 수 있다. 실제로 이러한 재료는 센서 및 태양 전지의 효율성을 높이거나 새로운 데이터 전송 방법을 용이하게 할 수 있다. 동시에 이 연구는 촉매 또는 양자 재료와 같은 나노 과학의 다른 분야에 대한 기초적인 통찰력을 제공한다. 연구팀의 이번 발견은 최첨단 합성, 실험 및 이론적 방법의 조합 덕분에 가능했다. 연구자들은 나노 입자의 구조를 정밀하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라 활성 모서리의 역할을 자세히 조사할 수 있었다. 원자 결함 분포 및 조성 분석 실험은 재료 특성에 대한 포괄적인 이해를 얻기 위해 이론적 모델링과 결합됐다. ◇ 참고: 볼로디미르 샴라옌코 외, 반도체 나노판의 취약점: 격리된 결함에서 방향성 나노 스케일 어셈블리로, 스몰 (2024). DOI: 10.1002/smll.202411112
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- IT/바이오
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[신소재 신기술(158)] 반도체 나노플레이트 약점 활용 나노스케일 조립 기술 혁신
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[퓨처 Eyes(73)] 시간의 미스터리, 양자 세계에서 새로운 해답을 찾다
- 시간은 과연 한 방향으로만 흐르는 것일까? 철학자와 과학자들이 오랫동안 탐구해온 이 질문에 대한 새로운 단서가 발견됐다. 영국 서리대학교(University of Surrey)의 최신 연구는 시간이 단순히 미래로만 향하는 선형적 흐름이 아닐 가능성을 제시하며, 기존의 통념을 흔들고 있다. 우리는 과거에서 미래로 흐르는 '시간의 화살'에 익숙하다. 현실 세계에서는 깨진 유리잔이 원래대로 돌아가지 않고, 엎질러진 물이나 우유가 저절로 컵에 다시 담기는 일은 결코 일어나지 않는다. 그러나 양자 세계에서는 상황이 달라진다. 물리학의 기본 방정식은 시간이 거꾸로 흘러도 동일하게 작동하는 대칭성을 갖는다. 즉, 시간이 앞으로 흐르든 뒤로 흐르든 법칙 자체는 변하지 않는다는 것이다. 서리대학교의 안드레아 로코 물리학 박사는 "엎질러진 우유가 테이블 위로 퍼지는 과정을 보면 시간이 앞으로 흐른다는 것을 알 수 있다. 하지만 영화처럼 되감아 보면 즉시 뭔가 잘 못 됐다는 것을 알 수 있다. 우유가 다시 유리 잔에 모일 것이라고 믿기 때문이다"라며 우리의 직관과 물리학 법칙 사이의 괴리를 지적했다. 이는 우리가 경험하는 거시 세계와 양자 세계 사이에는 분명한 간극이 존재한다는 것을 보여준다. 양자, 시간의 방향을 묻다 연구팀은 '개방 양자 시스템'이라는 개념에 주목했다. 양자 시스템(아원자 세계)이 주변 환경과 상호 작용하는 방식을 연구하는 분야다. 그들은 우리가 왜 시간을 한 방향으로만 인지하는 지, 그리고 이러한 인식이 양자 역학의 법칙에서 비롯되는 것인지, 아니면 환경과의 상호 작용의 결과인지 탐구했다. 연구팀은 환경을 외부 요인으로 취급하고 양자 시스템 자체에만 집중해 문제를 단순화했다. 그들은 우주 전체와 같은 환경이 너무 커서 에너지와 정보가 그 안으로 흩어져 다시는 시스템으로 돌아오지 않는다고 가정했다. 이러한 모델을 통해 시간이 이론적으로 양방향으로 흐를 수 있음에도 불구하고 양자 세계에서 시간의 방향이 어떻게 나타나는 지 탐구할 수 있었다. 이는 마치 우리가 우주라는 거대한 영화의 한 장면을 보고 있는 것과 같다고 볼 수 있다. 시간, 두 갈래 길에서 방황하다 놀랍게도 연구 결과는 기존의 통념을 완전히 뒤집었다. 환경과의 상호작용을 고려하더라도, 개방 양자 시스템을 설명하는 방정식은 시간이 앞으로 움직이든 뒤로 움직이든 동일하게 작용했다. 이는 시간이 반드시 한 방향으로만 흐른다는 가설이 절대적인 것이 아닐수도 있음을 시사한다. 토마스 구프 박사후 연구원은 "개방 양자 시스템을 설명하는 방정식에 표준적인 단순화 가정을 적용한 후에도 방정식이 시스템이 시간상 앞으로 움직이든 뒤로 움직이든 동일하게 작용했다는 것이 놀라웠다"며 뜻밖의 연구 결과가 나왔음을 강조했다. 이는 우리가 흔히 생각하는 '시간의 화살' 개념에 대한 근본적인 질문을 던지는 것이다. 시간이란 단순히 과거에서 미래로 흐르는 단일한 개념이 아닐 수 있다는 것을 시사한다. 이번 연구 결과는 학술지 '사이언티픽 리포트(Scientic Reports)'에 게재됐다. 기억 커널, 시간 대칭의 열쇠 연구팀은 또 '기억 커널' 이라는 현상이 방정식의 시간 대칭을 유지한다는 사실을 발견했다. 이 커널은 양자 시스템의 진화 방식의 기본이며, 시간이 양방향으로 흐를 가능성을 설명할 수 있다. 즉, 과거의 정보가 현재의 시스템에 양향을 미치는 방식으로 시간이 흐를 수 있다는 것이다. 연구진은 '메모리 커널(memory kernel)' 이라 불리는 방정식의 핵심 부분이 시간에 대해 대칭적이라는 것을 발견했다. 또한 시간 불연속 요소가 발견되어 시간 대칭성을 유지하는 것으로 나타났다. 로코 박사는 "우리의 연구 결과는, 우리의 일반적인 경험은 시간이 한 방향으로만 움직인다고 말하지만, 우리는 반대 방향이 똑같이 가능했을 것이라는 점을 알지 못했던 것을 시사한다"며 이번 연구의 의의를 밝혔다. 이는 우리가 시간의 흐름을 단선적으로만 인식하는 것이 사실은 착각일 수 있음을 시사한다. 시간은 어쩌면 우리가 생각하는 것보다 훨씬 더 복잡하고 다중적인 개념일지도 모른다. 시간의 비밀, 우주론의 난제를 풀 열쇠 이번 연구는 기간과 물리학 전반에 대한 우리의 이해에 심오한 의미를 갖는다. 시간이 불가역적인 화살로 인식되는 것은 고유한 물리 법칙 때문이 아니라 환경과의 상호 작용 방식과 관련이 있을 수 있음을 시사한다. 즉, 우리가 시간을 인지하는 방식은 우리가 속한 환경에 의해 규정될 수 있다는 것이다. 이러한 발견은 우주론의 오랜 질문, 예를 들어 우주의 시작이나 블랙홀의 맥락에서 시간의 본질과 같은 질문에 새로운 시각을 제공할 수 있다. 또한 아인슈타인의 일반 상대성 이론과 양자 역학을 통합하려는 물리학 분야인 양자 중력 이론에도 영향을 미칠 수 있다. 이 연구는 거시적 세계에서 우리가 경험하는 단방향적 시간의 흐름이 양자 세계에서는 양방향으로 가능할 수 있음을 시사하며, 양자역학, 우주론, 그리고 물리학의 근본 법칙에 대한 이해에 중요한 영향을 미칠 수 있다. 안드레아 로코 박사는 "우리의 일상적인 경험은 시간이 한 방향으로만 흐른다고 말하지만, 사실 반대 방향도 똑같이 가능했다는 것을 우리가 모르고 있었을 뿐"이라고 설명했다. 이 연구는 시간의 화살표가 우리가 생각했던 것만큼 고정적이지 않을 수 있다는 가능성을 제시하며, 물리학의 가장 큰 미스터리 중 하나에 대한 새로운 시각을 제공한다. 시간은 단순한 흐름이 아니라 훨씬 더 복잡하고 다차원적인 현상일 수 있다. 이번 연구는 시간의 비밀을 풀고 우주의 미스터리를 밝히는 데 중요한 발걸음이 될 것이다.
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- 포커스온
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[퓨처 Eyes(73)] 시간의 미스터리, 양자 세계에서 새로운 해답을 찾다
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[신소재 신기술(157)] 세포 노화 역전의 열쇠, 'AP2A1' 단백질 규명
- 늙지 않고 영원한 젊음을 유지할 수 있을까? 주름 제거 또는 피부 탄력 증진을 통해 영원한 젊음을 약속하는 다양한 제품이 시중에 출시되고 있다. 그런데 세포 수준에서 시간을 되돌릴 수 있는 방법이 있다면 어떨까? 일본 과학자들이 세포 노화의 열쇠가 되는 'AP2A1' 단백질을 규명해 젊음 지속 가능성 기대감을 높이고 있다. 오사카대학교 연구팀은 학술지 '세포 신호(Celluar Signaling)'에 발표한 연구에서 세포의 '젊음'과 '노화' 상태를 전환하는 핵심 단백질을 규명했다고 밝혔다. 연구 결과 노화 세포에서 AP2A1 발현을 억제하면 세포가 회춘하고, 젊은 세포에서 AP2A1 세포가 과발현하면 노화가 촉진되는 것으로 나타났다고 과학 전문 매체 뉴로사이언스와 어스 닷컴이 최근 보도했다. 인간의 몸은 세포가 점차 덜 활동적이 되면서 자연스럽게 노화라고 알려진 상태로 전환된다. 나이가 들면서 노화 세포는 여러 장기에 축적된다. 이러한 노화 세포는 젊은 세포보다 현저히 크며, 세포의 이동 및 환경 과의 상호 작용을 돕는 구조적인 요소인 스트레스 섬유(stress fiber)가 더 커지고 두꺼워지는 조직 변화를 보인다. 노화 세포, 특히 구조적 스트레스 섬유에서 주로 발견되는 AP2A1은 세포 노화를 이해하는 열쇠가 될 수 있다. 이 단백질은 세포 접착력을 강화하고 노화 세포의 구조적 확장에 기여하는 '인테그린 β1'과 상호작용한다. 이번 연구는 스트레스 섬유가 세포 크기 및 노화에 미치는 영향에 대한 새로운 통찰력을 제공한다. AP2A1은 노화의 바이오마커이자 노화 과정의 속도를 늦추거나 역전시키는 치료법의 표적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 연구의 주저자인 피라완 찬타초티쿨은 "노화 세포가 어떻게 거대한 크기를 유지하는 지 아직 명확히 밝혀지지 않았다"며 "흥미로운 단서는 스트레스 섬유가 젊은 세포보다 노화 세포에서 훨씬 두껍다는 점이며, 이는 섬유 내 단백질이 (노화 세포의) 크기를 유지하는 데 도움을 준다는 것을 시사한다"고 설명했다. 연구진은 이러한 가능성을 탐색하기 위해 섬유아세포(피부의 구고적 및 기계적 특성을 생성하고 유지하는 세포) 및 상피세포를 포함한 노화세포의 스트레스 섬유에서 상향 조절되는 단백질인 AP2A1(어댑터 단백질 복합체 2, 알파 1 서브 유닛)을 조사했다. 이어 연구진은 노화 유사 행동에 미치는 영향을 확인하기 위해 노화 세포에서 AP2A1 발현을 제거하고, 젊은 세포에서 AP2A1을 과발현시켰다. 선임 저자인 데구치 신지는 "결과는 매우 흥미로웠다"며 "노화 세포에서 AP2A1을 억제하면 노화가 역전되고 세포 회춘이 촉진되었으며, 젊은 세포에서 AP2A1을 과발현시키면 노화가 진행됐다"고 설명했다. 또한 연구진은 AP2A1이 세포가 주변의 콜라겐 매트릭스에 부착하도록 돕는 단백질인 인테그린 β1과 밀접하게 연관되어 있으며, AP2A1과 인테그린 β1 모두 세포 내에서 스트레스 섬유를 따라 이동한다는 것을 발견했다. 더불어 인테그린 β1은 섬유아세포에서 세포-기질 접착력을 강화했으며, 이는 노화 세포의 특징인 융기되거나 세포가 두꺼워진 구조의 원인을 설명할 수 있다. 찬타초티쿨은 "이번 연구 결과는 노화 세포가 확장된 스트레스 섬유를 따라 AP2A1과 인테그린 β1 이동을 통해 세포외 기질에 대한 접착력을 향상시켜 커다란 크기를 유지한다는 것을 시사한다"고 설명했다. AP2A1 발현이 노화 세포의 노화 징후와 밀접하게 관련되어 있다는 점을 고려할 때, 이는 세포 노화의 마커로 횔용될 수 있다. 또한 연구진의 연구는 노화와 관련된 질병의 새로운 표적을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
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- 생활경제
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[신소재 신기술(157)] 세포 노화 역전의 열쇠, 'AP2A1' 단백질 규명
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[우주의 속삭임(99)] 화성 고대 해안선 발견, 과거 대양 존재 가능성 제시
- 현재는 먼지로 뒤덮인 건조한 사막과 같은 화성에 과거 호수뿐 아니라 대양까지 존재했을 가능성이 제기됐다. 미국과 중국 공동 연구팀의 최근 연구 결과에 따르면 지표 투과 레이더 관측을 통해 약 40억 년 전 화성에 해변과 유사한 지하 지형이 확인됐다고 과학 기술 전문 매체 컨버세이션과 사이언스얼럿이 24일(현지시간) 보도했다. 이는 화성이 과거 북반구에 거대한 바다를 품고 있었음을 시사하는 강력한 증거로 평가된다. 이 연구에는 중국 광저우 대학의 리 젠후이(Jianhui Li)가 이끄는 중국과 미국 과학자 팀이 참여했으며, 중국 국가우주국(CNSA)의 무인 화성 탐사선 주룽(Zhurong)이 수행한 작업을 기반으로 했다. 연구진은 해당 바다를 '듀테로닐루스(Deuteronilus)'라 명명했다. 펜실베이니아 주립대학교의 지질학자 벤자민 카르데나스는 "화성에서 고대 해변 및 삼각주와 유사한 지형을 발견했다"며, "바람, 파도, 풍부한 모래 등 휴양지 해변과 유사한 증거를 확인했다"고 밝혔다. 화성 탐사 로버는 지질, 토양, 대기를 포함한 여러 측면을 연구한다. 종종 물의 증거를 찾는데, 물은 화성에서 생명의 존재 여부를 결정하는 주요 요소이기 때문이다. 퇴적암은 화성에 물이 존재하고, 생명체가 존재할 수 있다는 증거를 담고 있을 수 있기 때문에 종종 조사 대상이 된다. 나사의 퍼시비어런스 로버는 현재 델타 퇴적물에서 생명체를 찾고 있다. 델타는 이집트의 나일 델타처럼 강의 하구에 대량의 토사와 같은 퇴적물이 쌓인 삼각형 지형인 삼각주(river delta)를 말한다. 퍼시비어런스 로버는 너비가 약 45km인 제제로 분화구에 있는 삼각주를 탐사하고 있으며, 고대 호수가 있었던 곳으로 추정된다. 반면 중국의 주룽 로버는 화성 북반구에 위치한 유토피아 평원에서 고대 바다 흔적을 찾고 있다. 화성의 물의 역사는 여전히 풀리지 않은 거대한 수수께끼이다. 표면만 보면 액체 상태의 물이 존재했던 흔적을 찾기 어렵고, 전 세계적인 먼지 폭풍은 화성의 건조함을 더욱 강조한다. 그러나 점차 늘어나는 증거들은 화성이 과거 표면에 액체 상태의 물을 풍부하게 보유했음을 보여준다. 화성에 물이 존재했다는 사실은 더 이상 논쟁의 여지가 없으나, 물의 양과 소멸 시기, 소멸 원인 등은 여전히 미스터리로 남아있다. 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 지구물리학자 마이클 망가는 "대양은 행성의 기후와 표면 형성에 큰 영향을 미치며, 잠재적인 생명체 서식 환경이 될 수 있다"고 설명했다. 이어, "화성 탐사에서 '물을 따라가라'는 주제가 중요한 이유이며, 특히 해저에 존재했을 가능성이 있는 해변 퇴적물을 관측하는 것은 매우 흥미로운 일"이라고 덧붙였다. 화성, 과거 충분한 물 존재 시사 중국 국가우주국(CNSA)의 주룽(Zhurong) 화성 탐사 로버가 수집한 데이터를 활용한 중국-미국 공동 연구팀(광저우 대학교의 엔지니어 리젠후이 및 지질학자 류하이 주도)은 과거 화성에 충분한 양의 물이 존재했음을 시사하는 새로운 증거를 제시했다. 주룽 로버는 유토피아 평원(Utopia Planitia)을 이동하며 지표 투과 레이더(GPR)를 통해 지하 80미터 깊이까지 암석층을 측정했다. 이 기술은 전파를 지하로 보내고, 밀도가 다른 물질을 만나 반사되는 파형을 분석하여 지하 구조의 3차원 지도를 생성한다. 주룽 로버의 데이터를 기반으로 한 이전 연구에서 해안선으로 추정되는 지형이 발견되었으나, 그 해석은 확정되지 않았다. 그러나 이번 GPR 데이터 분석 결과, 주룽 로버의 이동 경로를 따라 15도 각도로 상승하는 두꺼운 물질층이 발견되었으며, 이는 지구의 고대 해안선과 유사한 특징을 보였다. 망가 교수는 "해당 구조는 사구, 충돌 분화구, 용암류와는 다른 형태를 보였으며, 이는 대양의 존재 가능성을 시사한다"고 말했다. 또한, "이러한 지형의 방향은 과거 해안선과 평행하며, 장기간에 걸쳐 모래 해변이 형성되었음을 뒷받침하는 적절한 방향과 경사를 가지고 있다"고 설명했다. 이러한 지형은 강에서 퇴적물이 유입되고 파도와 조석 작용이 존재하는 거대한 액체 상태의 대양을 암시한다. 또한, 지구에서 퇴적물이 형성되는 데 걸리는 시간과 비교했을 때, 화성에는 수백만 년 동안 물 순환이 존재했음을 시사한다. 이러한 퇴적물은 호숫가에서는 형성될 수 없다. 망가 교수는 "수역이 클수록 조석 간만의 차이가 커지고, 바람이 더 큰 파도를 만들 수 있는 공간과 시간이 확보된다"며, "큰 조석과 파도는 해변 형성에 도움을 준다"고 설명했다. 화성에는 지구의 달과 같은 조석에 큰 영향을 미치는 위성이 없다. 태양 또한 지구의 조석에 영향을 미친다. 화성의 조석은 지구와는 다른 형태일 수 있지만, 분명히 존재했을 것이며, 풍부한 바람은 표면 파도를 생성했을 것으로 추정된다. 이번 발견은 화성에 과거 생명체가 살 수 있는 환경이 존재했을 가능성을 높이고, 적절한 장비를 갖추고 탐사할 경우 고대 생명체의 흔적을 찾을 수 있는 장소를 제시한다. 망가 교수는 "물, 육지, 대기가 함께 존재하는 해안 환경은 잠재적인 생명체 서식 환경이다. 이러한 환경이 언제 어디에 존재했는지 아는 것은 탐사 방향을 설정하고 위성 관측과 같은 다른 관측 결과를 해석하는 데 도움이 된다"고 말했다. 또한, "해안선은 과거 생명체의 흔적을 찾기에 좋은 장소이며, 지구의 초기 생명체는 공기와 얕은 물의 경계와 같은 곳에서 시작된 것으로 추정된다"고 덧붙였다. 망가 교수 팀의 최근 연구에 따르면, 화성의 물은 대부분 내부로 흡수되어 현재 접근 불가능한 액체 저장소 형태로 존재할 수 있다. 이번 연구는 화성의 흥미롭고 신비로운 과거에 이러한 저장소를 채울 만큼 충분한 액체 상태의 물이 존재했음을 시사하는 또 다른 퍼즐 조각이 될 수 있다. 다음 단계는 액체 상태의 대양에 대한 가설을 더욱 심층적으로 검증하고, 외계 행성의 파도와 조석을 모델링하는 것이다. 본 연구 결과는 미국 국립과학원 회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 게재됐다.
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- 포커스온
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[우주의 속삭임(99)] 화성 고대 해안선 발견, 과거 대양 존재 가능성 제시
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[신소재 신기술(156)] 일반 암석을 탄소 포집 암석으로 변모시키는 신기술 개발
- 미국 스탠퍼드 대학교 화학과의 유슈안 첸 연구원이 매트 카난 교수옆에서 일반 암석이 굥정을 가해 CO₂ 포집 물질로 전환시킨 결과물을 들고 있다. 사진 출처=빌 리바드 / 프레코트 에너지 연구소 기후 변화로 지구가 몸살을 앓고 있는 가운데 일반 암석을 탄소를 포집하는 물질로 전환하는 혁신적인 신기술이 개발됐다. 인류 활동으로 대기 중에 배출되는 온실가스 중 이산화탄소(CO₂)는 지구 온난화의 주요 원인으로 지목된다. 이에 따라 전문가들은 화석 연료 사용량의 감축과 대기 중 이산화탄소를 적극적으로 제거하는 개술 개발의 필요성을 강조해왔다. 하지만 기존 탄소 포집 기술은 비용이 많이 들고 에너지 소모량이 많으며, 탄소 저장 솔루션 확보가 필수적이라는 한계점을 지니고 있다. 이런 가운데 미국 스탠퍼드 대학교 연구진은 암석을 활용한 혁신적인 탄소 포집 전략을 제시했다고 과학기술 전문 매체 기즈모도가 23일(현지시간) 보도했다. 스탠퍼드 대학교 매튜 카난(Mattew Kanan)과 유쉬안 첸 (Yuxuan Chen) 화학과 연구진은 열을 이용해 광물을 CO₂를 영구적으로 흡수하는 물질로 전환하는 공정을 개발했다. 지난 19일 학술지 '네이처(Nature)'에 발표된 연구 결과에 따르면, 이 공정은 실용적이고 저렴하며 일반적인 농업 관행의 요구 사항을 충족시켜 일석이조의 효과를 기대할 수 있다. 카난 교수는 "지구에는 대기 중 CO₂를 제거할 수 있는 광물이 무한정 존재하지만 인간의 온실 가스 배출을 상쇄시키기에는 반응 속도가 충분하지 않다"며 "이번 연구는 확장 가능한 방식으로 이러한 문제를 해결했다"고 밝혔다. 수십년 동안 과학자들은 암석의 자연적인 CO₂ 흡수 과정인 풍화 작용을 가속화하는 방법을 연구해왔다. 카난 교수와 첸 연구원은 풍화 속도가 느린 일반 규산염 광물을 풍화 속도가 빠른 광물로 전환함으로써 이 문제를 해결했다. 첸 연구원은 "단순한 이온 교환 반응을 통해 비활성 규산염 광물을 활성화하는 새로운 화학 반응을 구상했다"며 "이처럼 효과가 좋을 줄은 예상하지 못했다"고 설명했다. 이온은 전하를 띤 원자 또는 원자 그룹을 의미한다. 연두팀은 시멘트 생산 과정에서 영감을 얻었다. 시멘트 생산에서는 가마를 사용하여 석회석(퇴적암)을 산화칼슘이라는 반응성 화합물로 전환한 후 모래와 혼합한다. 연구진은 이 과정을 재현하되, 모래 대신 규산마그네숨이라는 물질을 사용했다. 규산마그네슘은 열을 가하면 이온 교환을 통해 산화마그네슘과 규산칼숨으로 전환되는 두 가지 광물을 포함한다. 이 광물들은 풍화 속도가 빠르다. 카난 교수는 "이 공정은 승수 역할을 한다"며 "반응성 광물인 산화칼슘과 비활성 규산마그네슘을 사용하여 두 가지 반응성 광물을 생성한다"고 설명했다. 연구진은 실험을 통해 습윤 규산칼슘과 산화마그네슘을 공기에 노출시킨 결과, 수 주에서 수개월 내에 풍화 작용의 결과물인 탄산염 광물로 전환되는 것을 확인했다. 카난 교수는 "산화마그네슘과 규산칼슘을 넓은 토지에 살포하여 대기 중 CO₂를 제거할 수 있다"며 "현재 시험 중인 흥미로운 응용 분야 중 하나는 농업 토양에 첨가하는 것"이라고 밝혔다. 이 방법은 토양이 너무 산성일 때 탄산칼슘을 첨가하는 농부들에게도 실용적일 수 있다. 이 과정을 석회 처리라고 한다. 카난 교수는 "이 제품을 첨가하면 두 광물 성분이 모두 알칼리성이므로 석회 처리가 필요하지 않다"며 "또한 규산칼슘이 풍화되면서 식물이 흡수할 수 있는 형태의 규소를 토양에 방출하여 작물 수확량과 회복력을 향상시킬 수 있다"고 설명했다. "이상적으로는 농부들이 농업 생산성과 토양 건강에 유익한 이 광물에 비용을 지불하고, 탄소 제거는 부가적인 효과로 얻을 수 있을 것이다." 약 1톤의 산화마그네슘과 규산칼슘은 대기 중 CO₂ 1톤을 흡수할 수 있으며, 이 추정치는 다른 탄소 포집 기술에 사용되는 에너지의 절반 미만을 사용하는 가마에서 배출되는 CO₂를 포함한다. 그러나 이 솔루션을 효과적인 수준으로 확장하려면 매년 수백만 톤의 산화마그네슘과 규산칼슘이 필요하다. 첸 연구원은 감람석이나 사문석과 같은 규산마그네슘의 천연 매장량 추정치가 정확하다면 인간이 배출한 모든 대기 중 CO₂를 제거하고도 남을 만큼 충분할 것이라고 지적했다. 또한 규산염은 광산 폐기물에서 회수할 수도 있다. 카난 교수는 "사람들은 이미 연간 수십억 톤의 시멘트를 생산하는 방법을 알고 있으며, 시멘트 가마는 수십 년 동안 작동한다"며 "이러한 학습과 설계를 활용하면 실험실 발견에서 의미 있는 규모의 탄소 제거로 이동하는 명확한 경로가 있다"고 강조했다.
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[신소재 신기술(156)] 일반 암석을 탄소 포집 암석으로 변모시키는 신기술 개발
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[신소재 신기술(154)] 중국 연구진, 천연 다이아몬드보다 40% 강한 '슈퍼 다이아몬드' 개발
- 중국 연구진이 실험실에서 천연 다이아몬드보다 훨씬 강한 초경도 '슈퍼 다이아몬드'를 합성하는 데 성공했다. 이번 연구 성과는 첨단 산업 분야에서 폭넓게 활용될 가능성이 높아 주목받고 있다. 흑연을 이용한 초경도 육각형 다이아몬드 합성 중국 지린대학교의 류 빙빙(Liu Bingbing) 교수와 야오 밍광(Yao Mingguang) 교수, 선전시 쑨원대학교의 주 셩차이(Zhu Shengcai) 교수가 이끄는 연구팀은 흑연을 이용해 '포스트-흑연 단계(Post-Graphite Phase)'라는 새로운 구조를 형성하는 데 성공했다고 인터레스팅엔지니어링이 보도했다. 연구에 따르면, 이 구조는 극도로 높은 압력과 열이 가해질 때 육각형 다이아몬드로 변환된다. 연구 결과는 이달 초 국제 학술지 '네이처 머티리얼즈(Nature Materials)'에 게재됐다. 육각형 다이아몬드는 기존 입방체 구조의 다이아몬드보다 강도가 뛰어난 것으로 알려져 있다. 연구팀은 이번에 합성한 다이아몬드가 천연 다이아몬드보다 40% 더 단단하며, 기존 100나노미터 크기의 나노 다이아몬드보다 열 안정성이 뛰어난 특성을 보였다고 밝혔다. 1967년 발견된 론스달라이트, 실험실에서 완전 합성 성공 육각형 다이아몬드는 1967년 미국 애리조나주 캐니언 디아블로(Canyon Diablo) 운석에서 최초로 발견된 희귀한 형태의 다이아몬드다. 당시 과학자들은 이 새로운 형태의 다이아몬드를 발견한 영국의 결정학자 캐서린 론스달(Kathleen Lonsdale)의 이름을 따 '론스달라이트(Lonsdaleite)'라고 명명했다. 이후 연구진들은 론스달라이트를 실험실에서 재현하려는 시도를 지속했으나, 순수한 형태로 합성하는 데 어려움을 겪었다. 그러나 중국 연구진은 흑연으로부터 거의 순수한 육각형 다이아몬드를 성공적으로 합성하는 데 성공했다고 사우스 차이나 모닝 포스트(SCMP)가 전했다. 연구진은 이번 연구를 통해 육각형 다이아몬드의 초고경도와 열 안정성이 산업 분야에서 폭넓은 활용 가능성을 시사한다고 평가했다. 또한 고압·고온 환경에서 흑연이 다이아몬드로 변환되는 과정을 이해하는 데 중요한 통찰력을 제공하며, 차세대 고성능 소재 개발을 위한 새로운 기회를 열었다고 강조했다. 미국 연구진도 이전에 육각형 다이아몬드 개발 성공 육각형 다이아몬드 합성 연구는 중국 연구진의 시도가 처음은 아니다. 2021년 미국 로렌스 리버모어 국립연구소(Lawrence Livermore National Laboratory) 연구진은 음파를 이용해 실험실에서 육각형 다이아몬드를 생성하는 데 성공한 바 있다. 당시 연구에 참여한 트래비스 볼츠(Travis Volz) 박사는 육각형 다이아몬드가 첨단 소재 산업에서 강력한 응용 가능성을 지니고 있다고 강조했다. 연구팀은 육각형 다이아몬드가 기존의 입방체 다이아몬드보다 높은 강도를 지니고 있어 절삭, 드릴링, 초고강도 소재 가공 등 다양한 산업에서 활용될 수 있다고 밝혔다. 미국 연구진의 또 다른 연구자는 육각형 다이아몬드가 기존 다이아몬드 시장에서도 매력적인 대안이 될 수 있다고 언급했다. 그 연구원은 "향후 육각형 다이아몬드가 약혼 반지와 같은 주얼리 시장에도 사용될 가능성이 있다"고 전망했다. 중국 연구진, 다이아몬드 소재 연구 선도 중국 연구진은 이번 육각형 다이아몬드 개발 외에도 다이아몬드 소재의 기능을 확장하는 연구를 지속적으로 진행하고 있다. 다이아몬드는 자연에서 가장 단단한 물질로 알려져 있으며 탁월한 열전도성을 지니고 있지만, 전하를 운반할 수 없는 절연체라는 한계가 있다. 그러나 지난해 정저우대학교, 허난 과학원, 닝보대학교, 지린대학교 연구팀은 전기를 전도할 수 있는 다이아몬드 소재를 개발하는 데 성공했다. 이는 다이아몬드를 반도체 및 첨단 전자소재로 활용할 가능성을 열어준 혁신적인 연구로 평가받고 있다. 이번 연구에서 중국 연구진이 성공적으로 합성한 육각형 다이아몬드는 기존 다이아몬드보다 강도와 열 안정성이 뛰어나며, 첨단 산업 분야에서 혁신적인 응용 가능성을 제공할 것으로 기대된다.
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[신소재 신기술(154)] 중국 연구진, 천연 다이아몬드보다 40% 강한 '슈퍼 다이아몬드' 개발
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[우주의 속삭임(98)] 100만 개 넘는 '성간 물체', 태양계 오르트 구름에 존재할 수도
- 우리 태양계의 가장 가까운 이웃 별인 알파 센타우리(Alpha Centauri·AC·센타우루스자리 알파) 항성계에서 방출된 100만 개 이상의 '성간 물체'가 태양계를 감싸고 있는 오르트 구름(Oort Cloud)에 이미 존재할 수 있다는 주장이 나왔다. 미국 우주 전문 매체 스페이스닷컴은 지난 5일(현지시간) arXiv에 게재된 새로운 연구 논문을 인용, 이같이 보도했다. 해당 논문은 아직 동료 평가를 거치지 않았으며, 추후 행성 과학 저널(The Planetary Science Journal)에 게재될 예정이라고 라이브사이언스가 17일(현지시간) 전했다. 캐나다 서부 온타리오 대학의 리 및 천문학과, 지구 및 우주 탐사 연구소의 콜 그렉과 폴 비거트가 주도한 이번 연구는 알파 센타우리(AC) 항성계에서 지난 1억 년 동안 방출된 성간 물질의 양을 시뮬레이션하여 진행됐다. 연구진은 이 계산을 바탕으로 현재 태양계 내에 센타우루스 알파에서 온 폭 100m 이상의 '성간 물체'가 약 100만 개 존재할 것으로 예측했다. 참고로 미국을 대표하는 자유의 여신상은 높이가 93.5m에 달한다. 이는 현재 태양계 내에 자유의 여신상 크기의 성간 물체가 약 100만 개가 떠돌아다니는 것으로 이해할 수 있다. 성간 물체 발견의 의의 '성간 물체(Interstellar Object)'는 태양계 외부에서 기원하여 태양계를 통과하는 천체를 의미한다. 2017년 발견된 '오무아무아(Oumuamua)'와 2019년 발견된 '보리소프 혜성(Borisov)'이 대표적인 사례다. 성간 물체는 다른 행성계에서 온 천체이므로, 이를 분석하면 태양계 외부의 물질 조성과 형성 과정을 연구할 기회를 제공한다. 특히, 보리소프 혜성은 태양계 혜성과 유사한 성질을 보여, 혜성이 우주적으로 공통된 형성과정을 가질 가능성을 시사했다. 성간 물체는 원래 있던 별 주위에서 방출된 후 우주를 떠돌다 태양계로 들어온 천체다. 이를 통해 다른 행성계의 형성 과정과 동역학적 진화를 연구할 수 있다. 예를 들어, 오우무아무아는 예상과 달리 혜성 활동 없이 가속하는 특성을 보여 기존 모델을 수정하는 계기가 되었다. 성간 물체는 '판스페르미아(Panspermia)' 이론, 즉 생명체의 씨앗이 우주에서 이동할 가능성을 탐구하는 데 중요한 역할을 한다. 만약 성간 물체에서 생명체의 기본 구성 요소(아미노산, 유기물 등)가 발견된다면, 생명체가 우주적 규모에서 이동할 가능성을 뒷받침하는 증거가 될 수 있다. 성간 물체는 자연적으로 태양계를 통과하는 천체이므로, 인류가 미래에 다른 별로 이동할 가능성을 연구하는 데 도움을 준다. 오우무아무아의 특이한 운동 방식 때문에 일부 과학자들은 외계 문명이 만든 탐사선 가능성도 제기했으며, 이는 외계 문명 탐색(SETI) 연구와 연결될 수 있다. 아울러 태양계와 은하 환경을 이해할 수 있다. 성간 물체의 존재 자체가 은하 내에서 천체들이 얼마나 자주 방출되고 이동하는지를 이해하는 데 도움을 준다. 이를 통해 태양계가 다른 항성계와 어떤 영향을 주고받는지를 파악할 수 있으며, 태양계가 속한 은하 환경의 역학을 연구할 수 있다. 오르트 구름은 어디에 위치하나? 연구팀은 이러한 가상의 성간 침입자(천체)들은 '오무아무아'나 '보리소프 혜성'과는 달리 태양의 중력에 영구적으로 붙잡혀 대부분 태양계 가장자리 근처의 거대한 혜성 및 소행성 저장소인 오르트 구름에 존재할 가능성이 높다고 봤다. 따라서 발견하기가 거의 불가능하다는 것. 지금은 사라진 오무아무아와 보리소프 혜성은 우리 우주 주변을 고속으로 항해하는 모습이 발견돼 성간 공간에서 유래했음을 확인했다. 오르트 구름(Oort Cloud)은 태양계를 둘러싸고 있는 가상의 천체 집합체로, 혜성의 기원지로 추정된다. 태양으로부터 약 2,000~100,000 AU(천문단위) 정도 떨어진 구간에 존재한다고 여겨지며, 이는 태양과 가장 가까운 별(프록시마 센타우리)까지 거리의 약 1/4에 해당한다. 이 개념은 1950년 네덜란드 천문학자 얀 오르트(Jan Oort)가 장주기 혜성(공전 주기 200년 이상)의 궤도를 분석하면서 제안했다. 오르트 구름은 구형의 구조로 태양을 중심으로 모든 방향에 퍼져 있기 대문에 혜성이 다양한 방향에서 태양계로 들어올 수 있다. 오르트 구름은 아직 직접 관측된 적은 없지만, 수많은 혜성이 태양계 바깥 먼 곳에서 유입되는 것으로 보아 존재할 가능성이 크다고 여겨진다. 미 항공우주국(나사·NASA)의 지금은 사라진 카시니 탐사선을 포함한 여러 우주선도 이전에 태양계를 흐르는 작은 성간 먼지 입자를 감지했다. 카시니 탐사선은 나사와 유럽우주국(ESA)이 공동 개발한 토성 무인탐사선으로 2004년 7월 토성 궤도에 진입해 본격적으로 탐사를 시작했으며, 약 13년 동안 토성을 300여 차례 공전하면서 방대한 데이터를 보낸 뒤 2017년 7월 토성의 대기권으로 진입해 임무를 종료했다. 연구진은 또한 작은 입자들이 알파 센타우리에서 태양계로 이동하는 방식을 시뮬레이션했다. 연구진은 100마이크로미터(0.004인치) 이상의 입자는 이론적으로 두 항성계 사이를 이동할 수 있으며, 이 입자 중 약 10개가 매년 지구 대기에서 불타면서 유성으로 소멸할 것으로 추정했다. 태양계와 가까운 이웃, 알파 센타우리 알파 센타우리는 알파 센타우루스 A와 알파 센타우루스 B(두 별은 쌍성계를 이루며 서로 공전하는 태양과 유사한 별임), 그리고 이 쌍성계를 도는 더 작은 적색 왜성인 프록시마 센타우루스(Proxima Centauri)의 세 개의 별로 구성되어 있다. 프록시마 센타우루스는 지구에서 가장 가까운 별로 약 4.25광년 떨어져 있으며, 프록시마 센타우루스 b로 알려진 행성이 확인된 유일한 항성이다. 연구에 따르면 알파 센타우리에서 나온 물질이 잠재적으로 대량으로 존재한다. 그렉과 비거트는 "오르트 구름 내에 직경 100m 이상인 알파 센타우리 입자의 현재 수는 10⁶개 또는 100만 개"라고 적었다. 하지만 이런 물체들은 감지하기가 극히 힘들다. 두 연구원은 "이러한 천체의 관측 가능한 비율은 낮은 수준이며 태양으로부터 10AU 이내에 존재할 확률은 백만 분의 1에 불과하다"고 설명했다. 전체 항성계는 현재 우리를 향해 이동하고 있으며 약 28,000년 후에 태양에 가장 가까워진다. 연구진은 이때 두 항성계 사이의 간격이 크게 줄어들기 때문에 태양계로 들어오는 물체의 수가 기하급수적으로 증가할 것이라고 밝혔다. 연구진은 또한 우리 태양계에서 방출되는 물질의 비율이 알파 센타우리와 매우 유사할 것이라고 추정했다. 이는 우리 우주 이웃에서 유래한 비슷한 수준의 성간 물질이 우리 이웃 별들에 포획되고 있음을 의미한다. 연구진은 "알파 센타우리와 태양계 사이의 물질 전달 방식을 더 잘 이해하는 것은 항성계의 상호 연결성과 은하 전체의 물질 교환 가능성을 탐구하는 새로운 길을 열어준다"고 논문에 적었다. 이번 연구는 우리 태양계가 고립되어 있지 않다는 구체적인 예를 보여준다. 항성계의 물질이 서로 자유롭게 이동할 수 있다면 행성 형성 과정에 대한 또 다른 이해의 문을 열어줄 수 있다. 두 연구원은 논문에서 "알파 센타우리에서 태양계로 물질이 이동될 수 있는 메커니즘에 대한 철저한 이해는 항성 간 수송에 대한 우리의 지식을 심화시킬 뿐만 아니라 항성계의 상호 연결성과 은하계 전체에 걸친 물질 교환의 잠재력을 탐구하기 위한 새로운 경로를 열어준다"고 강조했다. 성간 물체의 발견은 태양계 외부 물질의 직접적인 연구 기회를 제공하며, 행성계 형성 과정, 우주 생명체 기원, 항성 간 여행 가능성, 외계 문명 탐색 등 다양한 분야에서 중요한 과학적 의미를 갖는다. 앞으로 더 많은 성간 물체가 발견된다면, 인류의 우주 이해는 더욱 깊어질 것으로 보인다.
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[우주의 속삭임(98)] 100만 개 넘는 '성간 물체', 태양계 오르트 구름에 존재할 수도
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[신소재 신기술(152)] 옥스포드대 연구진, 세계 최초로 양자 컴퓨터 간 순간이동 성공
- 옥스포드 대학교 물리학과 연구진이 세계 최초로 양자 컴퓨터 간 텔레포테이션(Teleportation·양자 순간이동)에 성공해 양자 기술 확장 가능성을 입증했다. 이번 연구는 2m 거리의 실험실 환경에서 진행됐지만, 양자 상태를 연결된 시스템의 '인터넷'을 통해 텔레포트함으로써 양자 모듈을 분산시키는 것이 가능하다는 점을 보여줬다. 해당 연구에 대해서는 과학전문 매체 사이언스 얼럿과 독립매체 인디펜던트 등이 심층 보도했다. 옥스포드 측은 연구팀이 광자 네트워크 인터스페이스를 사용해 두 개의 별도 양자 프로세서를 성공적으로 연결해 단일의 완전히 연결된 양자 컴퓨팅을 형성해 이전에 도달할 수 없었던 계산적 과제를 해결하는 길을 열었다고 평가했다. 양자 순간이동은 얽힘을 이용해 양자 정보를 장거리에 걸쳐 즉시 전송하는 기술이다. 즉 양자 순간이동은 양자역학적 현상으로, 측정 과정을 통해 특정 상태를 확정하기 전까지 여러 특성이 중첩된 상태로 존재하는 양자 특성을 이용한다. 얽힘(entanglement)이라는 과정을 통해 여러 양자의 중첩 상태를 결합한 후, 특정 양자에 대한 측정을 통해 얻은 정보를 바탕으로 다른 얽힌 양자를 원래 양자와 동일한 상태로 변화시키는 방식으로 순간이동이 이루어진다. 이번 실험에서 연구진은 양자 순간이동을 통해 물리적으로 분산된 시스템 간의 상호작용을 생성하는 데 성공했다. 기존의 양자 순간이동 연구는 물리적으로 분리된 시스템 간의 양자 상태 전송에 초점을 맞추었다. 즉 이전에는 큐비트를 이동하지 않고 한 위치에서 다른 위치로 데이터를 전송했다. 이번에 처음으로 네트워크 링크를 통해 논리 게이트(알고리즘의 최소 구성 요소)의 양자 순간이동을 처음으로 시연한 것이다. 옥스포드 대학교는 이전에도 양자 순간이동이 가능했지만, 이번 연구는 네트워크 링크에서 논리 게이트의 양자 순간이동을 최초로 입증한 것이라고 평가했다. 연구진은 이를 통해 멀리 떨어져있는 프로세서가 통신, 계산, 센싱을 의한 매우 안전한 네트워크를 형성할 수 있는 미래의 '양자 인터넷' 을 위한 토대를 마련할 수 있다고 말했다. 연구 책임자인 물리학부의 더갈 메인(Dougal Main) 박사는 "이전의 양자 순간 이동 시연은 물리적으로 분리된 시스템 간에 양자 상태를 전송하는 데 중점을 두었다. 우리 연구에서는 양자 순간이동을 사용하여 멀리 떨어진 시스템 간의 상호 작용을 생성한다. 이러한 상호 작용을 신중하게 조정함으로써, 우리는 양자 컴퓨팅의 기본 연산인 논리적 양자 게이트를 별도의 양자 컴퓨터에 저장된 큐비트 사이에서 수행할 수 있다. 이 획기적인 발견을 통해 우리는 서로 다른 양자 프로세서를 효과적으로 연결해 완전히 연결된 단일 양자 컴퓨터를 만들 수 있다"고 설명했다. 일반 컴퓨터가 0과 1의 이진법을 사용하는 것과 달리 양자 컴퓨터는 큐비트(qubit)라는 양자 정보 단위를 사용해 복잡한 계산을 수행한다. 큐비트는 일반적으로 전하를 띤 원자와 같은 미시적 입자의 특성으로 표현된다. 양자 컴퓨터의 실용화를 위해서는 수백, 수천 개의 입자를 얽히게 해야 하는데, 이는 오류 수정 과정이나 외부 간섭을 차단하는 기술이 필요하다. 소규모 프로세서들을 네트워크로 연결하여 양자 슈퍼컴퓨터를 구축하는 것도 한 가지 해결책이지만, 양자 정보를 빛의 파동 형태로 전송하는 경우 정보 손실의 위험이 존재한다. 순간이동은 기존 방식의 이진 데이터를 통해 측정값을 전달받는다. 이후 수신 측에서 얽힌 입자를 조작하여 원래 입자와 동일한 상태로 만든다. 이번 옥스포드 대학교 실험에서 텔레포트된 스핀 상태의 양자 중첩은 원래 상태와 86% 일치했으며, 이는 두 양자 프로세서에서 71%의 효율로 그로버 알고리즘(Grover algoritum)으로 알려진 간단한 연산의 논리 게이트 역할을 하기에 충분한 수치였다. 연구진은 "광자 링크를 사용하여 모듈을 상호 연결함으로써 시스템의 유연성을 확보하여 전체 아키텍처를 방해하지 않고 모듈을 업그레이드하거나 교체할 수 있다"고 설명했다. 양자 네트워크 재구성이 가능하다는 것은 양자 기술의 응용 분야를 다양화하여 컴퓨터 네트워크를 가장 기본적인 수준에서 물리학을 측정하고 테스트할 수 있는 도구로 전환할 수 있음을 의미한다. 인디펜던트는 연구팀은 또한 이미 이용 가능한 기술을 사용해 양자 시스템을 구축하고 확장할 수 있음을 보여줬다고 짚었다. 이번 연구 결과는 '광 네트워크를 통한 분산 양자 컴퓨팅'이라는 제목으로 국제 학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다. 영국 양자 컴퓨팅 및 시뮬레이션 허브의 수석 과학자이자 연구팀의 수석 연구원인 데이비드 루카스 교수는 "저희 실험은 네트워크 분산 양자 정보 처리가 현재 기술로 가능하다는 것을 보여준다. 양자 컴퓨터를 확장하는 것은 앞으로 몇 년 동안 새로운 물리학적 통찰력과 집중적인 엔지니어링 노력이 필요할 것으로 예상되는 어려운 기술적 과제로 남아 있다"고 말했다.
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[신소재 신기술(152)] 옥스포드대 연구진, 세계 최초로 양자 컴퓨터 간 순간이동 성공
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우주 '유령 입자'의 놀라운 에너지, 심해 탐사로 밝혀내
- 천문학자들이 지중해 심해에 건설중인 거대한 센서 네트워크를 활용해 역대 최고 에너지의 우주 '유령 입자'를 검출하는 데 성공했다. 해당 연구에 대해서는 CNN, 뉴욕타임스, 네이터닷컴 등 다수 외신이 심층적으로 다루었다. 이 입자는 공식 명칭 '중성미자(Nutiino)'로, 이전에 검출된 수백 개의 중성미자보다 30배나 높은 에너지를 지닌 것으로 확인됐다. 우주에서 날아오는 이 작고 강렬한 입자들은 물질과 상호작용없이 통과하는 특성 때문에 '유령 입자'로 불린다. 질량이 거의 없는 중성미자는 별, 행성, 은하 전체를 포함한 극한 환경을 통과하면도 구조를 유지한다. 전 세계 360명 이상의 과학자들이 참여한 KM3NeT 협력단의 중성미자 분석 결과는 12일 과학 저널 '네이처(Nature)'에 게재됐다. 공동 저자인 로사 코닐리오네 KM3NeT 부대변인 겸 이탈리아 국립핵물리연구소 연구원은 "중성미자는 특별한 우주 메신저로, 가장 강력한 현상과 관련된 메커니즘에 대한 독특한 정보를 제공하며 우주의 가장 먼 곳까지 탐험할 수 있게 해 준다"고 밝혔다. 이번에 검출된 기록적인 중성미자는 KM3-230213A로 명명됐으며 2200억 전자볼트의 에너지를 가지고 있었다. 연구진에 따르면 이 엄청난 에너지는 스위스 제네바 인근 유럽입자물리연구소(CERN)의 거대 강입자 충돌기(LHC)가 입자를 빛의 속도에 가깝게 가속시키는 능력보다 약 3만 배나 강력한 것이다. 전하를 띠지 않는 중성미자는 고에너지 양성자가 우주를 창조한 빅뱅에서 남은 복사선의 광자와 결합할 때 생성될 수 있다. 이 입자들은 우주를 거의 빛의 속도로 이동한다. KM3NeT 공동 저자인 브래드 K. 깁슨 박사는 이메일을 통해 CNN에 "이 단일 중성미자의 에너지는 우라늄 원자 하나, 또는 열 개, 심지어 백만 개의 원자를 쪼개서 방출되는 에너지와 맞먹는다고 생각하면 된다"며 "이 작은 중성미자 하나가 10억 개의 우라늄 원자를 쪼개서 방출되는 에너지만큼의 에너지를 가지고 있었다. 핵분열로 생성되는 에너지와 비교하면 정말 엄청난 숫자"라고 설명했다. 이 입자는 우주에서 그렇게 높은 에너지의 중성미자가 생성될 수 있다는 최초의 증거를 제공한다. 연구진은 이 중성미자가 우리 은하 너머에서 왔다고 믿지만, 정확한 기원 지점은 아직 밝혀내지 못했다. 초거대 블랙홀, 감마선 폭발, 초신성 잔해와 같은 극한 환경에서 중성미자가 생성되어 우주를 가로질러 날아왔을 가능성이 제기된다. 공동 저자인 파스칼 코일 KM3NeT 대변인 겸 프랑스 국립과학연구센터-마르세유 입자물리센터 연구원은 이번 획기적인 발견은 중성미자 천문학의 새로운 장을 열었을 뿐만 아니라 우주를 관측할 새로운 창을 열었다고 말했다. 코일은 "KM3NeT은 검출된 중성미자가 극한의 천체 물리학적 현상에서 비롯될 수 있는 에너지와 감도의 범위를 탐색하기 시작했다"고 덧붙였다. 중성미자, 얼음이나 물과 상호작용 중성미자는 주변 환경과 상호작용을 잘 하지 않기 때문에 검출하기 어렵지만, 물이나 얼음과는 상호작용한다. 중성미자가 검출기와 직접 상호작용하면 얼음에 박히거나 물에 떠 있는 인근 디지털 광학 센서 네트워크가 감지할 수 있는 푸르스름한 빛을 방출한다. 예를 들어 남극의 아이스큐브 중성미자 관측소는 남극 얼음에 박힌 5000개 이상의 센서 그리드를 포함한다. 2011년부터 운영된 이 검출기는 수백 개의 중성미자를 발견했으며, 과학자들은 그 중 일부를 블레이저나 활동 은하의 밝은 핵과 같이 우주적 근원으로 그 일부를 추적할 수 있었다. 국제 연구팀은 2010년대 초 심해에서 중성미자를 포착할 수 있는 1 입방킬로미터 중성미자 망원경(KM3NeT)으로 알려진 검출기 네트워크 아이디어를 구상했고, 2015년에 네트워크 설치가 시작됐다. KM3NeT은 2023년 2월 13일, 이 입자가 두 검출기 중 하나를 밝혔을 때 기록적인 검출에 성공했다. 두 개의 검출기 중 하나인 ARCA(심해 우주선 연구)는 수심 3450m에 위치하고, ORCA(심해 우주선 진동 연구)는 지중해 해저 수심 2450m에 위치한다. 이탈리아 카포 파세로 인근 시칠리아 해안에 있는 ARCA 검출기는 고에너지 중성미자를 포착하도록 설계됐고, 프랑스 남동부 툴롱 근처에 있는 ORCA는 저에너지 중성미자 탐색에 전념한다. 해저에 고정된 센서 그리드를 포함하는 KM3NeT은 아직 건설 중이지만, 고에너지 중성미자를 포착하기에 충분한 검출기가 배치됐다고 연구진은 밝혔다. ARCA 검출기는 계획된 구성 요소의 10%만 작동 중이었을 때 입자가 망원경 전체를 거의 수평으로 통과하며 활성 센서의 3분의 1 이상에서 신호를 발생시켰다. 검출기는 하전 입자에 의해 생성된 2만8000개 이상의 빛 광자를 기록했다. 미스터리하고 강력한 기원 이 중성미자 내의 에너지가 일상적인 물체에 대한 이해를 위해 전환된다면 0.04줄, 즉 1m 높이에서 떨어진 탁구공의 에너지에 해당한다고 공동 저자인 아르트 헤이보어 KM3NeT 물리학 코디네이터 겸 네덜란드 국립 아원자 물리학 연구소(NIKHEF) 및 암스테르담 대학 교수는 말했다. 그 양은 작은 LED 전구를 약 1초 동안 켤 수 있는 정도라고 그는 말했다. 헤이보어는 이메일을 통해 "일상적인 물체에 대해서는 큰 에너지가 아니지만, 일상 세계와의 그런 유추가 가능하다는 사실 자체가 놀랍다. 이 모든 에너지는 단일 기본 입자 안에 담겨 있었다"고 설명했다. 연구진에 따르면 입자 규모에서 중성미자는 가시광선 광자 에너지의 약 10억 배에서 1억 배에 해당하는 초고에너지로 간주됐다. 지구에서 중성미자를 검출하면 연구원들은 근원지를 추적할 수 있다. 이 입자들이 어디에서 오는지 이해하는 것은 오랫동안 광선이 지구 대기에 충돌할 때 중성미자의 주요 원천으로 여겨져 온 미스터리한 광선인 우주선(Cosmic Ray)의 기원에 대해 더 많은 것을 밝힐 수 있다. 우주에서 가장 강력한 입자인 우주선(cosmic ray)은 우주에서 지구로 쏟아진다. 이 광선은 대부분 양성자나 원자핵으로 구성되어 있으며, 광선을 생성하는 것이 거대 강입자 충돌기의 능력을 능가하는 매우 강력한 입자 가속기이기 때문에 우주 전역으로 방출된다. 중성미자는 우주선이 이디에서 오는지, 무엇이 우주 전역으로 발사하는 지 천문학자들에게 알려줄 수 있다. 연구진은 감마선 폭발이나 138억년 전 빅뱅에서 남은 복사인 우주 마이크로파 배경의 광자와 우주선 상호 작용과 같이 강력한 무엇인가가 이번에 새로 발견된 중성미자를 방출했다고 추정한다. 연구 기간 동안 연구진은 중성미자를 생성했을 가능성이 있는 12개의 잠재적 블레이저를 확인하기도 했다. 블레이저는 검출기에서 수집한 데이터와 감마선, X선, 전파 망원경의 교차 참조 데이터를 기반으로 입자가 이동한 것으로 추정되는 방향과 일치한다. 하지만 더 많은 연구가 필요하다.
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우주 '유령 입자'의 놀라운 에너지, 심해 탐사로 밝혀내
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[우주의 속삭임(97)] 퍼시비어런스 화성 탐사선, '특별한 보물' 발견
- 미국 항공우주국(나사·NASA)의 퍼시비어런스 화성 탐사차가 화성의 '실버 마운틴' 지역에서 지금까지 수집한 것과는 전혀 다른 독특한 암석 표본을 발견했다. 퍼시비어런스는 화성 표면을 돌아다니며 탐사하도록 설계된 승용차 크기의 탐사차다. 퍼시비어런스는 현재 제제로 크레이터(Jezero Crater) 가장자리의 언덕과 암석 노두를 탐사하며, 이 지역의 지질학적 역사를 밝히기 위한 암석 표본을 수집하고 있다. 스페이스닷컴에 따르면 이번에 발견된 26번째 표본은 '실버 마운틴'으로 명명되었으며, 2.9cm 크기로 "지금까지 본 적 없는 독특한 질감"을 가지고 있다고 NASA는 밝혔다. NASA는 이 지역의 암석들이 "화성의 심층 과거를 엿볼 수 있는 희귀한 창"을 제공할 수 있다는 점에서 과학적 가치가 매우 높다고 설명했다. 이 암석들은 수십억 년 전 고대 충돌로 인해 화성 내부 깊은 곳에서 표면으로 솟아오른 것으로 추정된다. NASA 제트 추진 연구소(JPL)는 이 암석들이 초기 화성 지각의 일부이며, "태양계에서 발견된 가장 오래된 암석 중 하나일 수 있다"고 밝혔다. 이 암석 연구를 통해 화성과 지구를 비롯한 태양계 초기 형성 시기의 모습을 이해하는 데 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다. NASA는 이 표본이 약 40억 년 전 화성 지질학적 시대인 노아키안 시대(Noachian age)의 첫 번째 표본이라고 덧붙였다. 노아키안 시대는 잦은 소행성 및 혜성 충돌로 인해 오늘날 화성에서 볼 수 있는 많은 크레이터가 형성된 시기이다. 2021년 제제로 크레이터 근처에 착륙한 퍼시비어런스는 고대 생명체의 흔적을 찾고, '실버 마운틴'과 같은 암석 표본을 수집하여 지구로 가져와 연구하며, 새로운 탐사 기술을 시험하는 임무를 수행하고 있다. 화성에서 고대 생명체를 찾는 로버 중 하나는 헬리콥터 '인저뉴어티'였다. 5번의 시험 비행을 위해 설계된 인저뉴어티는 로터 손상으로 임무를 종료하기 전까지 총 72번의 화성 하늘을 비행했다. 화성에서 4년간 탐사를 진행한 퍼시비어런스는 지질학적 역사 속에서 물과 상호 작용한 화학적 증거를 보여주는 암석들을 발견했다. 물은 지구에서 생명체에 필수적이다. 과학자들은 이 표본과 다른 표본들을 지구로 가져와 심층적으로 연구하기를 열망하고 있지만, 화성 샘플 귀환 프로그램의 운명은 비용 상승과 임무 복잡성으로 인해 아직 불확실하다. 비용 추정치가 110억 달러까지 상승하고 샘플 반환 일정이 2040년 이후로 연장되자 NASA는 계획을 전면적으로 개편하기 시작했으며, 이후 업계와 학계의 새로운 제안을 모색해 왔다. NASA는 2026년에 새로운 전략을 결정할 예정이다. 한편, 중국은 2028년 화성 샘플 귀환 임무를 발사해 2031년까지 지구로 표본을 반환하는 것을 목표로 하고 있다.
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[우주의 속삭임(97)] 퍼시비어런스 화성 탐사선, '특별한 보물' 발견
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[기후의 역습(118)] 2025년 1월, 역대 최고 기온 경신…기후 전문가들 "예상 밖"
- 지난달 기온이 역대 1월 중 가장 높은 수준을 기록하며 기후 전문가들을 놀라게 했다. 일반적으로 라니냐 현상이 발생하면 이상 고온 현상이 다소 완화될 것으로 예상됐기 때문이다. 라니냐는 적도 태평양의 무역풍이 강해지면서 발생하는 현상으로 동태평양의 해수 온도가 평년보다 낮아지는 특징이 있다. 유럽연합(EU) 산하 코페르니쿠스 기후변화서비스(Copernicus Climate Change Service)에 따르면, 2025년 1월 지구 평균 기온은 산업화 이전보다 1.75°C 높았다고 어스닷컴이 10일(현지시간) 보도했다. 이는 2023년과 2024년에 이어 기록적인 고온 현상이 지속되는 흐름 속에 있으며, 주된 원인은 인간이 배출한 온실가스로 분석된다. 예상보다 약한 라니냐, 지속되는 기록적 고온 대부분의 기후 과학자들은 2024년 1월 정점을 찍은 엘니뇨가 일시적인 냉각을 가져오는 라니냐로 전환되면서 극심한 더위가 완화될 것으로 예측했다. 라니냐는 일반적으로 지구 기온을 낮추는 효과를 가지기 때문이다. 그러나 이번에는 기온이 여전히 높은 수준을 유지하거나 소폭 하락하는 데 그쳐, 예상보다 심각한 지구 온난화 요인에 대한 논의가 촉발됐다. 연구자들은 지구 기온이 조금만 상승해도 폭염, 집중호우, 가뭄 등 극한 기상 현상의 강도와 빈도가 더욱 증가할 수 있다고 경고한다. 1월, 예상을 뛰어넘은 기온 상승 올해 1월의 지구 평균 기온은 지난해 1월의 최고 기록을 0.09°C 초과했다. 코페르니쿠스 기후 과학자인 줄리앙 니콜라스(Julien Nicolas)는 이를 두고 "지구 기온 변화의 흐름에서 상당한 차이"라고 평가했다. 니콜라스는 "기온이 예상보다 높은 것이 놀랍다. 라니냐의 냉각 효과가 거의 나타나지 않았다"고 밝혔다. 독일 포츠담 대학의 기후 과학자 슈테판 람스토르프(Stefan Rahmstorf) 역시 이번 기록이 이례적이라고 지적했다. 그는 "라니냐 단계에서도 기온이 엘니뇨 시기보다 높은 것은 이번이 처음"이라며 "지난 60년 동안 25번의 라니냐 1월이 있었지만, 모두 주변 연도보다 기온이 낮았다"고 강조했다. 현재 진행 중인 라니냐는 비교적 약할 것으로 전망되며, 코페르니쿠스는 적도 태평양 일부 지역의 해수면 온도가 예상된 냉각 패턴으로 전환되지 않고 정체되는 경향을 보이고 있다고 보고했다. 니콜라스는 이러한 현상이 3월까지 완전히 사라질 가능성이 있다고 덧붙였다. 파리협정 목표 초과 지난달 코페르니쿠스는 2023년과 2024년의 평균 지구 기온이 산업화 이전보다 처음으로 1.5°C를 초과했다고 발표했다. 이는 파리협정이 설정한 1.5°C 이내의 온도 상승 목표를 영구적으로 위반한 것은 아니지만, 해당 임계점이 시험대에 오르고 있음을 의미한다. 전반적으로 과학자들은 2025년이 2023년과 2024년보다 더 덥지는 않겠지만, 역사상 세 번째로 높은 기온을 기록할 가능성이 크다고 보고 있다. 그럼에도 불구하고 코페르니쿠스는 지구 기후 변화의 추이를 보다 정확히 분석하기 위해 2025년의 해양 온도를 면밀히 추적할 계획이다. 해양과 기후 변화 해양은 지구 기후를 조절하는 중요한 역할을 하며, 주요 탄소 흡수원으로 작용한다. 차가운 바닷물은 대기 중 열을 흡수해 지구 온도를 낮추는 데 기여한다. 또한 해양은 화석 연료 연소로 인해 발생한 추가 열의 약 90%를 저장하는 것으로 분석된다. 니콜라스는 "이 열은 주기적으로 다시 표면에 나타난다"며 "지난 몇 년 동안 이러한 현상이 발생했는지에 대한 연구가 필요하다"고 말했다. 1월, 해수면 온도도 기록적 수준 2023년과 2024년 내내 해수면 온도는 이례적으로 높은 수준을 기록했고, 올해 1월 역시 역대 두 번째로 높은 수온을 기록했다. 니콜라스는 "왜 이렇게 해양 온도가 지속적으로 높은 상태를 유지하는지 명확한 해답이 없다"고 말했다. 유니버시티 칼리지 런던(UCL)의 기후 연구원 빌 맥과이어(Bill McGuire)는 라니냐가 시작됐음에도 불구하고 1월 기온이 최고치를 기록한 것에 대해 "놀랍고 솔직히 두렵다"고 표현했다. 한편, 영국 국립 해양학 센터(NOC)의 조엘 허쉬(Joel Hirschi)는 단기적인 데이터에 대한 과도한 해석을 경계해야 한다고 조언하며, 과거 엘니뇨 종료 후에도 라니냐가 진행되는 동안 높은 기온이 관찰된 적이 있다고 밝혔다. 기록적인 더위의 원인 분석 과학자들은 지구 기온의 장기적인 상승이 주로 화석 연료 연소 때문이라는 점에는 동의하지만, 자연적인 기후 순환이 연간 기온 변화에 영향을 미칠 수 있다는 점도 지적했다. 그럼에도 불구하고 현재의 극단적인 기온 상승을 단순히 엘니뇨로만 설명하기는 어렵다며 추가적인 요인을 분석하고 있다. 한 가지 가설은 2020년 이후 청정 연료 사용이 확대되면서, 햇빛을 반사하는 역할을 하는 황 기반 배출이 감소했고, 이로 인해 온난화가 가속화됐을 가능성이다. 또 다른 연구에서는 저고도 구름이 감소하면서 지구 표면에 더 많은 태양 에너지가 도달하는 효과를 낳았을 가능성도 제기됐다. 유엔 정부 간 기후변화위원회(IPCC)의 로버트 보타르(Robert Vautard)는 "이러한 가능성들은 매우 심각하게 고려해야 하며, 연구를 지속해야 한다"고 강조했다. 12만5000년 만의 최고 기온 코페르니쿠스는 위성, 선박, 항공기, 지상 기상 관측소에서 수집한 수십억 건의 데이터를 기반으로 기후 변화를 추적한다. 코페르니쿠스의 자체 기후 기록은 1940년까지 거슬러 올라가지만, 빙하 코어, 나이테, 산호 골격과 같은 자연 데이터를 통해 더 오래된 기후 변화를 유추할 수 있다. 이러한 광범위한 증거를 종합한 연구자들은 현재 지구가 지난 125,000년 중 가장 뜨거운 시기를 맞이하고 있을 가능성이 높다고 판단하고 있다. 코페르니쿠스의 사만다 버제스 부국장은 세계 다른 지역의 해수 온도가 특히 따뜻하게 유지된다는 사실은 바다의 행동이 변화하고 있음을 시사할 수 있다고 BBC에서 밝혔다. 버제스 박사는 "우리는 해수 온도가 어떻게 변화하는 지 알고 싶다. 해수 온도는 기온에 직접적인 영향을 미치기 때문이다"라고 설명했다. 그는 "우리가 온실 가스 배출을 차단하지 않는 한 지구 온도는 계속 상승할 것"이라고 강조했다.
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[기후의 역습(118)] 2025년 1월, 역대 최고 기온 경신…기후 전문가들 "예상 밖"
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[핫 이슈] 혹등고래, 인간과 유사한 방식으로 울음소리 학습
- 혹등고래가 인간이 언어를 배우는 것과 유사한 방식으로 노래(울음소리)를 배우는 것으로 밝혀졌다. 인류 언어는 다양한 형태를 띠지만, 보편적인 패턴을 따른다. 이러한 패턴은 문법과 통사보다 더 깊은 곳에 자리 잡고 있으며, 특정 단어의 사용 빈도와 단어 길이를 예측하는 통계 법칙에 뿌리를 두고 있다. 언어를 배우고 사용하기 쉽게 만드는 일종의 안전 장치로 볼 수 있다. 이스라엘의 예루살렘 히브리대학교와 스코틀랜드 세인트 앤드루스 대학교의 공동 연구팀은 고래의 울음소리에서도 이와 유사한 패턴을 발견했다. 이번 주 발표된 두 편의 새로운 연구는 인간과 고래가 먼 진화적 거리를 두고 있음에도 불구하고 소리를 통한 의사소통 문제에 대해 유사한 해결책을 찾아냈음을 보여준다. 해당 논문에 대해서는 사이언티픽 아메리칸, 뉴욕타임스, 더 타임스 등에서 심도 깊게 다루었다. 히브리대학교 심리학 교수이자 연구 논문의 공동 저자인 인발 아르논은 "이는 인간 언어를 다른 의사소통 체계와 완전히 다른 현상으로 생각할 것이 아니라, 공통점을 중심으로 사고해야 한다는 관점을 강화한다"고 말했다. 아르논 교수 팀은 남태평양 뉴칼레도니아에서 8년간 녹음된 혹등고래 노래를 분석한 결과, 인간 언어의 특징인 '지프(Zipf)의 빈도 법칙'을 따르는 것을 발견했다. 지프의 법칙은 단어 사용 빈도에 관한 수학적 법칙으로, 미국 언어학자인 조지 킹즐리 지프(George Kingsley Zipf, 1902~1950)이 제시한 것이다. 즉 가장 많이 사용하는 단어는 두 번째로 많이 쓰는 단어보다 두 배, 세 번째로 많이 쓰는 단어보다 세 배 더 많이 나타나는 식으로 빈도가 감소하는 현상이 지프의 법칙이다. 연구팀은 녹음 분석에 앞서 울음, 비명, 신음 등 다소 기이한 소리들의 연속에서 단어(의미는 없지만)와 유사한 부분을 식별해야 했다. 이는 마치 갓난아기가 겪는 어려움과 유사했다. 아르논 교수는 "인간 아기는 지속적인 음향 신호를 받으면 단어가 어디에 있는지 파악해야 한다"고 설명했다. 아기의 전략은 간단하다. 어른의 말에서 예상치 못한 소리 조합을 듣는 것이다. 그러한 조합을 발견할 때마다 단어 사이의 경계를 찾았을 가능성이 큰다. 이는 흔하지 않은 전환이 단어 내에서 발생할 가능성이 작기 때문이다. 놀랍게도 혹등고래는 아기가 말을 배우는 것과 동일한 방식을 사용하는 것으로 보인다. 연구진이 인간 아기와 마찬가지로 '전이 확률'을 기준으로 고래 노래를 분절했을 때, 지프의 빈도 법칙에 정확히 들어맞았다. 반면, 1,000개의 임의로 뒤섞인 데이터 요소는 일치하는 부분이 전혀 없어, 전이 확률 결과가 우연의 산물이 아님을 강력히 시사했다. 해당 연구 결과는 과학 저널 '사이언스'에 6일(현지시간) 게재됐다. 논문 공동 저자인 스코틀랜드 세인트 앤드루스 대학교의 고래 노래 전문가 엘렌 갈랜드는 "우리 모두 어안이 벙벙했다. 이러한 동일한 구조를 발견할 가능성이 있었지만, 실제로 발견할 것이라고는 생각하지 못했다"고 말했다. "고래, 인간 의사 소통의 핵심 요소 공유" 약 1억 년 전 살았던 땃쥐와 비슷한 공통 조상을 가진 고래와 인간에게서 동일한 의사소통 행동이 독립적으로 진화한 이유는 무엇일까? 지프의 빈도 법칙에 따른 단어 분포는 아기가 언어를 파악하는 데 도움이 되는 것으로 보인다. 에든버러 대학교의 인지 과학자 사이먼 커비는 "입력된 내용이 그러한 방식으로 구성되어 있으면 더 잘 배울 수 있다"고 말한다. 다시 말해, 언어의 구조는 주로 세대 간에 전달되는 방식의 결과이다. 연구진은 지프의 빈도 법칙이 인간뿐만 아니라 순차적인 음성 신호가 문화적으로 학습되는(개인 간에 전송되는) 다른 모든 곳에서도 나타날 수 있다고 추론했다. 커비는 그러한 집단에 "노래하는 새, 박쥐, 인간 외 영장류, 코끼리, 물범, 돌고래, 고래를 포함하는 이상하고 다소 잡다한 종들"이 포함된다고 말한다. 개에서 개구리, 물고기에 이르기까지 다른 모든 동물들은 유전적으로 프로그램된 신호를 통해 의사소통하는 것으로 여겨진다는 것이다. 고래 울음소리의 두 가지 추가적 특징 발견 지난 5일 '사이언스 어드밴시스'에 발표된 별도의 논문에서 미국 뉴욕에 있는 스토니브룩 대학교의 박사후 연구원 메이슨 영블러드는 고래 울음소리에서 두 가지 추가적인 특징의 증거를 발견했다. 하나는 '간결성 법칙'으로, 인간 언어에 적용될 때 더 흔한 단어일수록 더 짧아지는 경향이 있고, 그 반대도 마찬가지라는 것을 나타낸다. 다른 하나는 '멘제라스 법칙'으로, 문장과 같은 언어 구성물이 길수록 구성 요소(예: 문장의 절)는 더 짧아진다는 것을 의미한다. 두 패턴 모두 혹등고래 노래에서 특히 강하게 나타났으며, 다른 다양한 종에서도 나타났다. 이러한 법칙들은 모두 효율성에 관한 것이다. 영블러드는 동물들이 "최소한의 시간과 에너지로 최대한 많은 정보를 전달하는 방법"을 설명한다고 말했다. 연구팀, 지나친 해석 경계 인간 언어와의 비교가 유혹적일 수 있지만, 연구진은 이러한 유사점을 지나치게 해석하는 것을 경계한다. 갈랜드는 "고래 노래는 언어가 아니다"라고 단호하게 선을 그으며, 대부분의 전문가들이 고래의 '단어'가 의미를 전달하지 않는다는 데 동의한다고 언급했다. (음악도 마찬가지다. 하지만 지프의 빈도 법칙은 거기에도 나타난다.) 혹등고래의 노래와 인간 언어의 유사점에 관해서는 놀라울 정도이다. 두 연구에 모두 참여하지 않은 세인트 앤드루스 대학교의 생물학자 루크 렌델은 이러한 발견이 "진화가 특정 유형의 학습에 수렴하거나 제약될 수 있다는 것에 대해 다소 심오한 것을 우리에게 말해주는 것일 수 있다"고 했다. 즉, 모든 종에서 복잡한 의사소통의 가능성 범위를 알려줄 수 있다는 것이다. 마찬가지로 커비는 지프의 빈도 법칙(그리고 아마도 다른 언어 법칙들)이 "문화적으로 진화한 시스템의 일종의 지문"일 수 있으며, 동물이 문화적 학습의 문턱을 넘은 곳이라면 어디든지 존재할 수 있다고 제안했다. 그는 "인지 시스템 조직의 매우 기본적인 특징일 가능성이 크다"고 덧붙였다.
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- 포커스온
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[핫 이슈] 혹등고래, 인간과 유사한 방식으로 울음소리 학습
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[퓨처 Eyes(70)] 두 아빠 쥐의 탄생⋯생명 과학의 새 지평 열다
- 2025년 새해 벽두 과학계는 '두 아빠 사이에서 태어난 쥐'라는 놀라운 소식을 접하며 경탄을 금치 못했다. 한때 공상 과학 소설 속 장면으로 여겨졌던 일이 현실로 성큼 다가온 것이다. 이 획기적인 연구는 베이징에 있는 중국과학원의 리 지쿤(Zhi-Kun Li) 박사와 그의 연구팀에 의해 주도됐으며 과학전문 매체 사이언스얼럿과 MIT 테크놀로지 리뷰(MIT Technology) 등에 의해 상세히 보도됐다. 두 매체의 보도에 따르면 이 연구는 정밀한 줄기세포 공학 기술과 크리스퍼(CRISPER) 유전자 편집 기술을 통해 생물학적 엄마 없이 두 아빠를 가진 쥐를 탄생시키고, 성체로 성장시키는데 성공했다. 크리스퍼 유전자 편집 기술은 DNA를 자르고 붙이는 기술로, 특정 유전자를 수정하는 데 사용된다. 과거 유사한 시도들이 번번이 실패로 끝난 것을 감안하면, 이번 성과는 그 의미가 남다르다. 이전 연구자들은 수컷 줄기세포로부터 난자를 생성하는 데 어려움을 겪었고, 설령 성공하더라도 모성 유전 물질의 부재로 인해 새끼들이 심각한 발달 장애를 겪거나 끝내 생존하지 못했다. 하지만 리 지쿤 박사 팀은 '각인'된 유전자를 표적화하는 새로운 접근 방식을 통해 이러한 문제들을 말끔히 해결했다. 각인(Imprinting)이란 특정 유전자가 어느 부모에게서 왔는지에 따라 다르게 발현되는 현상을 말한다. 리 박사 팀은 배아 발달에 핵심적인 것으로 알려진 20개의 각인 유전자를 CRISPR 기술로 정교하게 편집하여 두 아빠를 둔 쥐의 탄생을 현실로 만들었다. 각인 유전자는 부모 중 누구에게서 왔는지에 따라 발현 여부가 결정되는 유전자를 말한다. 사이언스 얼럿은 이 연구가 "줄기세포 및 재생 의학 연구의 여러 가지 제한점을 해결하는 데 도움이 될 것"이라는 중국과학원 웨이 리(Wei Li) 연구원의 말을 인용하며, 이 연구의 중요성을 재차 강조했다. 난관 극복, 새로운 가능성 제시 두 아빠 쥐의 탄생 과정이 순탄하지만은 않았다. 이번 연구는 아빠가 둘인 생쥐를 만들려는 이전 연구를 바탕으로 했다. 1980년대 영국 과학자들은 정자 세포의 DNA가 포함된 핵을 수정란 세포에 주입하려는 시도를 했다. 그 결과 배아는 난자의 세포질에 두 수컷의 DNA와 암컷의 소량의 DNA를 가지고 있었다. 그러나 이 배아를 대리모 쥐의 자궁으로 이식했을 때 어느 배아도 건강하게 태어나지 않았다. MIT 테크놀로지 리뷰는 이는 부계와 모계 유전체에서 모두 각인된 유전자가 발달에 필요하기 때문인 것으로 보인다고 짚었다. 리 박사 팀은 유전자 편집을 이용해 각인된 유전자를 완전히 제거하는 다른 접근 방식을 취했다. 약 200개의 쥐 유전자가 각인되어 있지만 연구팀은 배아 발달에 중요한 것으로 알려진 20개의 유전자에 초점을 맞춘 것. 팀은 실험실에서 줄기 세포를 수집하기 위해 정자 DNA로 세포를 배양했다. 그런 다음 CRISPR를 사용하여 표적으로 삼은 20개의 각인된 유전자를 파괴했다. 유전자 편집된 세포는 다른 정자 세포와 함께 핵이 제거된 난자 세포에 주입됐다. 그 결과 두 마리 수컷 쥐의 DNA가 있는 배아 세포가 탄생했다. 이 세포는 태반을 만드는 데 필요한 세포를 제공하는 연구에 사용되는 일종의 '배아 껍질'에 주입됐다. 그 결과 생성된 배아는 암컷 쥐의 자궁으로 이식됐다. 일부 배아는 살아 있는 새끼로 발달했고, 심지어 성체가 될 때까지 살아 남았다. 연구팀은 더 나아가 두 아빠 쥐를 만드는 두 번째 접근 방식을 발견했다. 이는 일본 오사카 대학의 카츠히코 하야시(Katsujiko Hayashi) 팀의 연구를 바탕으로 했다. 이 팀은 몇년 전 수컷 쥐의 꼬리에서 세포를 채취해 미성숙 난자로 만드는 방법을 발견했다. 이 난자는 정자와 수정돼 양부계 배아를 만들 수 있었다. 하야시는 그 배아는 번식 능력을 가져, 성체가 자신의 자손을 가질 수 있다고 말했다. MIT 테크놀로지 리뷰에 따르면, 중국과학원 연구팀은 164개의 유전자 편집된 배아를 이식했지만, 살아있는 새끼는 고작 7마리밖에 태어나지 않았다. 게다가 태어난 새끼들도 정상적인 쥐보다 크게 자라거나 장기가 비대해지는 등 몇 가지 문제점을 드러냈다. 수명도 일반 쥐보다 짧았고, 불임이라는 문제도 안고 있었다. 이러한 결과는 여전히 해결해야 할 과제가 산적해 있음을 보여준다. 리 지쿤 박사 역시 "각인 유전자에 대한 추가적인 수정은 생존 가능한 배우자를 생산할 수 있는 건강한 두 아빠 쥐의 생성을 촉진하고 각인 관련 질병에 대한 새로운 치료 전략으로 이어질 수 있다"고 말하며, 앞으로 연구가 더 필요함을 시사했다. 그럼에도 불구하고 두 아빠를 둔 쥐의 탄생은 생명 과학 연구에 지대한 의미를 갖는다. 펜실베이니아 대학의 발달 생물학자 코타로 사사키(Kotaro Sasaki)는 "흥미로운 연구"라며, 리 박사 팀이 "일련의 각인 결함을 피할 수 있었을 뿐만 아니라, 두 수컷의 DNA를 사용하여 쥐를 만드는 두 번째 방법을 발견했다"는 점을 높이 평가했다. 이 연구 결과는 학술지 '셀 스템 셀(Cell Stem Cell)'에 게재됐다. 각인 현상에 대한 새로운 통찰력 두 아빠 쥐 연구는 각인 현상에 대한 새로운 통찰력을 제공할 수 있다는 점에서 더욱 주목받고 있다. 이전 연구에서는 두 엄마 쥐가 더 작고 오래 사는 것으로 밝혀진 반면, 이번 연구에서는 두 아빠 쥐가 과도하게 성장하고 더 빨리 죽는다는 사실이 새롭게 밝혀졌다. 코타로 사사키는 "아마도 부계 각인된 유전자는 성장을 지원하고 모계 유전자는 성장을 제한하며, 동물이 건강한 크기에 도달하려면 둘 다 필요할 것"이라고 추측했다. 물론, 이 연구 결과를 인간에게 적용하기까지에는 넘어야 할 산이 많다. 리 지쿤 박사는 "인간의 20개 각인된 유전자를 편집하는 것은 용납할 수 없으며, 건강하거나 생존 가능하지 않은 개체를 생산하는 것은 단순히 선택 사항이 아니다"라고 분명히 선을 그었다. 코타로 사사키 역시 "연구팀이 사용한 많은 실험실 기술 절차가 인간 세포에는 확립되지 않았고, 인간 유전자를 제거하면 예측할 수 없는 건강상의 결과를 초래할 수 있다"며 인간에게 적용하는 데에는 많은 어려움이 있을 것이라고 지적했다. 생명 과학의 새로운 지평 두 아빠를 둔 쥐의 탄생은 생명 과학 연구의 새로운 장을 열었으며, 앞으로 각인 현상과 유전 질환에 대한 이해를 넓히는 데 크게 기여할 것으로 기대된다. 비록 인간에게 직접 적용하기에는 아직 많은 과제가 남아 있지만, 이 연구가 제시하는 가능성은 무궁무진하며, 미래 생명 과학 발전에 중요한 토대가 될 것이다. 두 아빠 쥐의 탄생은 분명 획기적인 사건이지만, 아직 넘어야 할 산이 많다. 특히 인간에게 적용하기 위해서는 윤리적인 문제와 기술적인 난관을 극복해야 한다. 하지만 이 연구가 각인 현상에 대한 새로운 통찰력을 제공하고, 유전 질환 치료에 새로운 가능성을 제시했다는 점은 높이 평가할 만하다. 전문가들은 앞으로 두 아빠 사이에서 태어난 쥐 연구가 생명 과학 발전에 어떤 영향을 미칠지 주목할 필요가 있다고 지적한다.
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[퓨처 Eyes(70)] 두 아빠 쥐의 탄생⋯생명 과학의 새 지평 열다
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미래 반도체, 해법은 '지능형 소재'
- 인공지능(AI) 기술의 발전과 함께 데이터 사용량이 폭발적으로 증가하면서 반도체 산업은 새로운 도전에 직면했다. 기존 반도체 칩으로는 감당할 수 없는 수준의 데이터 처리 능력과 컴퓨팅 파워가 요구되면서, 반도체 업계는 '지능형 소재' 개발에 사활을 걸고 있다. 윌리엄 G. 웡은 일렉트로닉 디자인에 기고한 글에서 "AI의 영향으로 데이터와 컴퓨팅 성능에 대한 전례 없는 수요가 역량을 초과하고 있다"고 진단하며, "더 나은 칩과 원자 수준의 새로운 혁신 없이는 다음 단계의 발전이 이루어지지 않을 것"이라고 강조했다. 이러한 시대적 요구에 대응하기 위해 반도체 업계는 '재료 지능'에 주목하고 있다. '재료 지능'은 단순히 새로운 소재를 개발하는 것을 넘어, 원자 및 분자 수준에서 재료의 특성을 분석하고 디지털 기술을 융합하여 재료의 성능과 제조 공정을 최적화하는 것을 의미한다. 기존의 재료 개발 방식은 과학자들이 직접 재료를 합성하고 특성을 분석하는 데 오랜 시간과 노력이 소요되었다. 하지만 '재료 지능'은 AI와 머신러닝을 활용하여 재료 개발 과정을 혁신적으로 단축시킨다. AI는 방대한 데이터를 분석하여 재료의 특성을 예측하고 최적의 조합을 찾아내는 데 도움을 주며, 머신러닝은 실험 결과를 바탕으로 재료 모델을 고도화하여 더욱 정확한 예측을 가능하게 한다. 반도체 재료 공급업체인 EMD 일렉트로닉스의 가네쉬 파나만 사장은 "이제 우리는 AI와 머신러닝을 활용하여 더 높은 효율성을 위해 더 스마트한 재료를 식별하고 최적화할 수 있다"며, "AI 솔루션은 더 많은 전력과 스토리지를 필요로 하므로 칩을 더 작고, 더 빠르고, 더 강력하게 만드는 과제를 안게 된다"고 말했다. 반도체 업계는 이러한 과제를 해결하기 위해 AI, 머신러닝, 데이터 분석 등의 첨단 기술을 적극적으로 도입하고 있다. AI 알고리즘을 통해 재료의 특성을 예측하고 최적의 구성을 파악하는 것은 물론, 원자층 증착(ALD) 및 원자층 식각(ALE) 기술을 통해 원자 수준에서 재료의 특성을 정밀하게 제어하는 것이 가능해졌다. EMD 일렉트로닉스는 극자외선(EUV) 리소그래피 혁신, 최첨단 포토레지스트 및 패터닝 솔루션 개발, 3D NAND 및 실리콘 비아를 통한 후면 전력 공급과 같은 수직 적층 기술 등 다양한 혁신 기술을 통해 반도체 소형화 및 성능 향상을 이끌고 있다. 전문가들은 미래 반도체 산업이 '혁신의 가속화, 분산, 그리고 협력'이라는 특징을 가질 것으로 예측한다. 기술 혁신은 특정 분야에 국한되지 않고 산업 전반에 걸쳐 다양하게 일어날 것이며, 이러한 혁신을 극대화하기 위해서는 각 단계별 협력과 효과적인 데이터 교환이 필수적이다. 윌리엄 G. 웡은 "혁신은 더욱 역동적이고 불균등하며 간헐적으로 이루어지며, 개선 사항은 전체 스택에 분산될 것"이라며, "모든 단계의 혁신은 이점을 극대화하기 위해 조정될 것이며, 협력과 효과적인 데이터 교환을 중요한 요소로 강조할 것"이라고 말했다. 2025년 이후 반도체 산업은 AI, 재료 지능, 첨단 기술의 융합을 통해 더욱 빠르게 진화할 것으로 보인다. 이러한 변화 속에서 '협력과 데이터 중심 사고'를 통해 혁신을 이끌어내는 기업만이 미래 반도체 시장에서 성공을 거둘 수 있을 것이다.
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- IT/바이오
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미래 반도체, 해법은 '지능형 소재'
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인체 장기 내 미세 플라스틱 축적 심화, 뇌 조직에서 고농도 검출
- 미세플라스틱이 인체 내 뇌 조직에서 다른 장기보다 더 많이 발견돼 충격을 주고 있다. 미국 뉴멕시코대학 연구진의 최근 연구에 따르면, 인체 내 미세플라스틱 축적이 심화되고 있으며, 특히 뇌 조직에서 높은 농도의 미세플라스틱이 검출돼 우려가 커지고 있다고 과학전문매체 사이언스얼럿과 abc뉴스 등 다수 외신이 4일(현지시간) 보도했다. 학술지 '네이처 메디신(Nature Medicine)'에 게재된 이번 연구는 지난해 수거된 뇌 조직 샘플이 약 10년 전 수거된 유사 샘플보다 훨씬 더 많은 미세플라스틱을 함유하고 있음을 보여준다. 이는 미세한 합성 입자가 시간이 지남에 따라 인체의 주요 기관에 축적된다는 사실을 시사한다. 뉴멕시코대 보건과학자 알렉산더 니하트(Alexander Nihart)와 연구진은 뇌 샘플에서 신장 및 간 샘플보다 더 높은 농도의 미세플라스틱이 검출됐음을 확인했다. 뉴멕시코대 건강과학센터, 오클라호마주립대, 듀크대, 콜롬비아 라 유니버시다드 델 발레엔칼리의 연구원들은 47구의 시체에서 뇌, 간, 신장 샘플을 분석했다. 연구 결과에 따르면 뇌 조직에서 발견된 미세플라스틱의 평균 양은 1g당 4800마이크로 그램이었다. 이는 표준 플라스틱 숟가락 하나와 맞먹는 양이다. 연구에 따르면 사람의 혈류 내에 이 정도의 미세플라스틱이 존재할 경우 어떤 구체적인 건강 위험이 초래될지는 아직 알수 없다고 한다. 1950년부터 2019년까지 약 90억 톤의 플라스틱이 생산되었으며, 이 물질들은 시간이 지나면서 미세한 조각으로 분해돼 전 세계적으로 확산되고 있다. 플라스틱이 작은 조각으로 떨어져나간 미세플라스틱은 크기가 최대 5mm에 달하며, 나노플라스틱은 그보다 더 작은 크기로 10억분의 1미터 단위로 측정한다. 연구진은 논문에서 "인위적으로 생성된 미세플라스틱과 나노플라스틱의 환경 내 농도는 지난 반세기 동안 기하급수적으로 증가했다"고 밝혔다. 연구에 따르면 플라스틱 용기부터 바닥재, 의료기기에 이르기까지 모든 것에서 발견되는 가장 흔한 플라스틱인 폴리에틸렌이 뇌 샘플에서 발견된 미세 플라스틱의 75%를 차지했다. 미세플라스틱, 뇌 보호막도 침투 인체 조직에 축적된 플라스틱 입자의 장기적인 영향과 잠재적 누적 효과는 아직 명확히 밝혀지지 않았지만, 우려할 만한 연구 결과들이 속속 제시되고 있다. 미발표 연구에서는 태반 내 미세플라스틱이 조산과 연관된 것으로 나타났으며, 쥐를 대상으로 한 연구에서는 미세플라스틱이 뇌 혈관을 막는 데 영향을 미칠 수 있다는 결과도 보고됐다. 또 다른 연구에서는 흔히 사용되는 플라스틱 첨가제 노출이 수백만 건의 사망과 관련이 있다는 사실이 밝혀졌다. 니하트 연구진은 2016년과 2024년 부검을 통해 확보한 52개의 인체 조직 샘플을 분석한 결과, 모든 샘플에서 플라스틱 입자가 검출됐다고 밝혔다. 간과 신장 샘플의 플라스틱 양은 유사했으나, 뇌 샘플에서는 최대 30배 높은 농도의 플라스틱이 발견됐다. 이는 간과 신장이 체내 노폐물을 걸러내고 분해하는 역할을 수행하면서 순환하는 입자와의 접촉이 많아질 수 있다는 점을 고려할 때 뜻밖의 결과다. 특히, 뇌에는 유해 물질을 차단하는 혈액뇌관문이 존재함에도 불구하고 미세플라스틱이 축적된 사실이 확인돼 충격을 주고 있다. 치매 환자 뇌에서 플라스틱 농도 더 높아 연구진은 1997년부터 2013년까지 확보한 초기 뇌 샘플 데이터와 비교한 결과, 시간이 지남에 따라 플라스틱 농도가 증가하는 명확한 추세를 발견했다. 이는 환경 내 미세플라스틱과 나노플라스틱 농도의 급격한 증가가 인체 내에서도 반영되고 있음을 시사한다. 분석된 조직의 플라스틱 농도는 연령, 인종, 사망 원인과 무관했지만, 치매 진단을 받은 사람들의 샘플에서는 그렇지 않은 사람들보다 높은 농도의 플라스틱이 검출됐다. 연구진은 "뇌 조직 위축, 혈액뇌관문 손상, 노폐물 제거 기능 저하는 치매의 주요 특징이며, 이는 미세플라스틱과 나노플라스틱 농도를 증가시킬 수 있다"고 설명했다. 다만, 플라스틱 물질 축적이 건강 악화에 직접적으로 영향을 미치는지는 아직 확실하지 않다고 덧붙였다. 니하트 연구진은 미세플라스틱의 건강 영향을 규명하기 위한 추가 연구가 필요하다는 점을 강조하며, 이에 대한 연구자들의 관심이 더욱 필요하다고 촉구했다. 한편, 플라스틱 생산량은 지속적으로 증가하고 있으며, 인간은 일상적으로 플라스틱 조각을 흡수하고 있다. 영국 엑서터대 글로벌 개발 연구원 아담 하니에(Adam Hanieh)는 "플라스틱은 석유와 가스로부터 추출된 석유화학 제품"이라며, 2040년에는 플라스틱이 석유 수요 증가의 95%를 차지할 것으로 예상된다고 경고했다.
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- ESGC
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인체 장기 내 미세 플라스틱 축적 심화, 뇌 조직에서 고농도 검출
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[우주의 속삭임(96)] 달, 총알 속도 암석 충돌로 그랜드 캐니언 능가하는 협곡 생성
- 달에 있는 두 개의 협곡은 총알처럼 빠른 속도로 이동하는 암석 홍수에 의해 10분도 채 안 되는 시간에 형성된 것으로 밝혀졌다. 두 협곡 모두 미국 애리조나 주에 있는 그랜드 캐니언보다 깊다. 미국 과학자들이 '발리스 슈뢰딩거(Vallis Schrödinger)'와 '발리스 플랑크(Vallis Planck)'로 명명된 이 달 협곡들을 분석한 결과, 이 거대한 계곡들이 각각 길이 270km, 깊이 2.7km, 그리고 길이 280km, 깊이 3.5km에 달한다는 사실을 발견했다고 과학 전문 매체 스페이스닷컴과 사이언스 등 다수 외신이 4일(현지시간) 보도했다. 연구진은 그랜드 캐니언의 길이가 446km이고 최대 깊이가 1.9km인 점을 감안할 때 달 협곡의 규모가 얼마나 큰 지 짐작할 수 있다고 설명했다. 미국 대학 우주 연구 협회 소속 달 및 행성 연구소의 지질학자 데이비드 크링은 스페이스닷컴과의 인터뷰에서 "달의 풍격은 극적"이라며, "달의 남극 지역에는 에베레스트산보다 높은 산과 그랜드 캐니언보다 깊은 협곡이 있다. 미래의 달 표면 탐험가들은 경외감을 느낄 것"이라고 말했다. 이 두 개의 달 협곡은 약 38억 1000만년 전 우주 충돌로 달의 지각에서 파편이 튕겨져 나가면서 생긴 폭 320km의 크레이터인 슈뢰딩거 분지에서 방사형으로 뻗어나가는 많은 계곡 중 두 곳이다. 이 구조는 약 42억 년에서 43억 년 전에 형성된 달에서 가장 오래된 충돌 크리에이터인 남극-에이킨 분지의 바깥쪽 가장자리에 위치해 있다. 크링과 그의 동료들은 미래의 로봇 유인 달 탐사 임무를 위한 잠재적 착륙 지점을 찾기 위해 슈뢰딩거 분지를 조사했다. 그들은 미 항공우주국(나사·NASA)의 달 정착 궤도선에서 촬영한 사진을 분석해 발리스 슈뢰딩거와 발리스 플랑크가 어떻게 형성되었는지 더 잘 이해하고, 이 이미지를 사용해 슈뢰딩거 분지를 만드는 충돌로 인해 방출된 파편의 방향과 속도를 계산한 달 표면 지도를 작성했다. 과학자들은 암석 파편이 충돌로 인해 시속 3420km에서 4600km의 속도로 튕겨져 나갔을 것으로 추정했다. 참고로 9mm루거 권총의 총알은 시속 약 2200km의 속도로 날아간다. 연구진은 이 두 협곡을 만드는 데 필요한 에너지가 현재 전 세계 핵무기 비축량의 에너지보다 130배 이상 클 것이라고 추정했다. 크링은 "우리가 설명하는 달 협곡은 암석의 흐름에 의해 생성된 반면, 그랜드 캐니언은 물의 강에 의해 생성되었다"며, "암석의 흐름은 물의 강보다 훨씬 더 강력했기 때문에 달 협곡은 몇 분 만에 생성되었고 그랜드 캐니언은 수백만 년에 걸쳐 생성됐다"고 말했다. 충돌이 일어난 각도로 인해 생성된 파편은 슈뢰딩거 분지 주변에 불균등하게 흩어졌으며, 남극-에이킨 분지에 더 가까운 지역은 물질이 덜 덮여 있었다. 크링은 이 고대 지역을 덮고 있는 파편이 적기 때문에 그곳에 착륙하는 우주 비행사들은 "달의 초기 시대의 샘플을 더 쉽게 수집할 수 있을 것"이라고 설명했다. 이번 연구 결과는 2월 4일 저널 네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다.
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[우주의 속삭임(96)] 달, 총알 속도 암석 충돌로 그랜드 캐니언 능가하는 협곡 생성
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[우주의 속삭임(95)] 맨틀 속 숨겨진 초대륙, 지구 역동성 비밀 밝히나
- 우리 행성 지구는 겉보기와는 달리 그 내부에서 끊임없이 역동적인 활동이 일어난다. 특히 지구의 얇은 지각과 액체 상태의 외핵 사이에 위치한 맨틀은 지구 전체 부피의 80% 이상을 차지하며, 그 비밀스러운 활동은 오래전부터 과학자들의 호기심을 자극해 왔다. 최근 CNN은 "지구 내부에 숨겨진 2개의 초대륙"에 대한 새로운 연구 결과를 보도하며 맨틀에 대한 우리의 이해를 한 단계 끌어올렸다. 맨틀, 단순한 공간 그 이상 맨틀은 지구 전체 부피의 약 84%를 차지하는 곳으로, 오랫동안 과학자들은 이곳이 '걸쭉한 캐러멜'과 같은 균일한 물질로 이루어져 있다고 믿었다. 하지만 실제 맨틀은 '초콜릿 칩이 박힌 쿠키'처럼 거대한 혼합되지 않은 영역들을 포함하고 있으며, 이 영역들이 지구의 역동성에 중요한 역할을 한다는 사실이 밝혀지고 있다. 특히 주목받는 것은 지각 아래 깊숙이 자리 잡은 두 개의 거대한 '초대륙'이다. 하나는 아프리카 대륙 아래에, 다른 하나는 태평양 아래에 숨겨져 있는 이 초대륙들은 맨틀 깊숙한 곳에서 '닻'과 같은 역할을 하며 맨틀 전체의 움직임에 영향을 미칠 것으로 추정된다. 새로운 연구 결과는 이 초대륙들이 기존에 생각했던 것보다 훨씬 더 오래되었을 가능성을 제시하며, 맨틀이 단순히 잘 섞인 공간이 아님을 보여준다. 이러한 숨겨진 구조들은 판의 움직임을 포함한 맨틀 활동을 조절하며, 이는 우리가 경험하는 지진이나 화산 활동과도 밀접한 관련이 있다. 애리조나 주립 대학의 클레어 리처드슨 박사는 "이러한 발견은 맨틀 대류와 판 구조론, 그리고 결과적으로 우리가 지표면에서 경험하는 지진 및 화산 활동과 같은 현상에 대한 더 나은 이해에 기여할 것"이라고 말하며 이번 연구의 중요성을 강조했다. 지진파를 이용한 심층부 탐사 연구자들은 지진파가 맨틀 내부를 통과하면서 속도나 감쇠(에너지 손실)가 어떻게 변하는지를 분석하여 초대륙의 비밀을 밝혀냈다. 지진파는 맨틀 내부의 밀도, 온도, 구성 물질에 따라 속도가 달라지는데, 초대륙은 주변보다 밀도가 낮고 온도가 높아 지진파의 속도를 느리게 만든다. 또한, 지진파의 감쇠 정도를 통해 맨틀 물질의 나이를 추정할 수 있다. 광물 결정 크기가 작을수록 파동 에너지를 더 많이 흡수하여 감쇠가 크게 일어나는데, 초대륙에서는 감쇠가 적게 일어나는 것으로 보아 주변보다 훨씬 오래된 물질로 이루어져 있음을 알 수 있다. 즉, 초대륙은 주변 맨틀보다 더 단단하고 안정적인 구조라는 의미다. 위트레흐트 대학의 아르웬 데우스 교수는 "우리는 지진파가 느려진다는 것만 알았다"라며 과거 연구의 한계를 지적하며, "이번 연구를 통해 초대륙이 맨틀 대류에 적극적으로 참여하는지, 아니면 단순히 '밀집된 더미'처럼 그 자리에 머물고 있는지에 대한 의문이 풀릴 수 있을 것"이라고 덧붙였다. 오래된 닻, 판 구조론의 새로운 열쇠 이번 연구 결과는 판 구조론에 대한 우리의 이해를 근본적으로 바꿀 수 있다. 초대륙이 맨틀 내부에서 '오래된 닻' 역할을 한다면, 이는 판의 움직임이 단순히 맨틀 대류에 의해 결정되는 것이 아니라 초대륙과 같은 고정된 구조에 의해서도 영향을 받을 수 있다는 것을 의미한다. 탈라베라-소자 박사는 "우리 연구는 LLSVP(큰 저속도 전단 영역)가 오래 지속되는 특징이며, 적어도 5억년 이상, 아마도 더 오래되었을 가능성을 지적한다"라며, "이는 그들이 핵-맨틀 경계의 바닥에서 닻 역할을 하며 맨틀 대류에서 살아남았다는 것을 의미하며, 맨틀이 잘 혼합되지 않았다는 것을 시사한다"라고 말했다. 또한, 초대륙은 지구 화학적 원소의 저장소일 가능성도 제기되고 있다. 특정 화산의 용암에서 발견되는 지구 생성 초기부터 존재했던 화학 원소들이 초대륙에 저장되어 있다가 분출될 수 있다는 것이다. 이는 초대륙이 단순한 암석 덩어리가 아니라 지구 화학 순환에 중요한 역할을 한다는 것을 의미한다. 데우스 교수는 "이러한 LLSVP는 오랫동안 그곳에 있었다. 그들이 10억 년 동안 그곳에 있었다면 40억 년 동안 그곳에 있었을 수도 있다. 그들은 이러한 화학적 원시 원소가 위치할 수 있는 숨겨진 저장소일 가능성이 크다. 우리는 지금 그것을 증명할 수는 없지만 지구 화학자들이 이것을 조사할 수 있다"라고 말하며 앞으로의 연구에 대한 기대감을 나타냈다. 미래를 향한 발걸음 맨틀 내부에 숨겨진 초대륙의 발견은 지구의 역동성을 이해하는 데 중요한 발걸음이다. 이번 연구 결과는 맨틀 대류와 판 구조론에 대한 우리의 이해를 넓혀줄 뿐만 아니라, 지진이나 화산 활동과 같은 자연 현상을 예측하고 대비하는 데에도 기여할 수 있을 것이다. 리처드슨 박사는 "이 모델은 많은 지진학자들이 지구 내부의 다른 물리적, 화학적 특성을 이해하는 데 사용하는 측정에 궁극적으로 영향을 미치는 지진 에너지를 약화시키는 지구의 영역을 매핑한다"라며 이번 연구가 지진학 연구에 미칠 영향을 강조했다. 맨틀은 아직 풀리지 않은 수많은 비밀을 간직하고 있다. 하지만 과학자들의 끊임없는 노력과 새로운 기술 개발을 통해 우리는 지구 내부의 미스터리를 하나씩 풀어갈 수 있을 것이다. 해당 연구는 학술지 네이처(Nature)에 게재됐다.
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[우주의 속삭임(95)] 맨틀 속 숨겨진 초대륙, 지구 역동성 비밀 밝히나
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[기후의 역습(115)] 그레이트 배리어 리프, 7번째 '백화 현상'으로 붕괴 위기
- 호주 그레이트 배리어 리프에서 기록적인 해수 온도 상승으로 인해 산호 백화 현상이 심각한 수준에 이르렀다는 연구 결과가 발표됐다. 호주 과학자들로 구성된 연구팀은 지난해 그레이트 배리어 리프 남부 지역에서 발생한 대규모 백화 현상으로 인해 조사 대상 산호의 50% 이상이 폐사했다고 밝혔다. 해당 내용에 대해서는 CNN과 가디언 등 주요 외신들이 심도 있게 다루었다. 세계 경제 포럼에 따르면 산호초는 연간 9조 9000억 달러(약 1경 4170조 8600억 원) 규모의 생계 서비스를 제공한다. 종종 자연계의 '수중 도시'로 불리는 산호초는 약 5억년 동안 존재해온 생태계다. 산호초는 전세계적으로 약 10억 명의 사람들의 생계에 필수적이며 세계 경제 산출의 상당 부분을 맡고 있다. 또한 산호초는 해양 생물 다양성의 25% 이상을 보유하고 있다. 현재 전 세계는 네 번째 대규모 백화 현상을 겪고 있으며, 지난 10년 동안 세 번째의 백화 현상을 경험했다 또한 전 세계 산호초의 약 80%가 열 스트레스로 인해 영향을 받고 있다고 세계경제포럼은 짚었다. 2024년, 기록적인 폭염과 엘니뇨 현상으로 산호 백화 심화 2024년, 그레이트 배리어 리프는 기록적인 폭염을 겪으며 해수 온도가 급상승하여 7번째 대규모 백화 현상을 맞았다. 해수 온도 상승은 산호에 스트레스를 유발하여 조직에서 조류를 방출시키고 색을 잃게 만드는 백화 현상을 일으킨다. 이러한 현상의 주요 원인은 지구 온난화를 가속화하는 화석 연료의 사용이며, 엘니뇨 현상 또한 해수 온도를 높여 산호 백화를 심화시켰다. 산호 군락 붕괴 시작 및 질병 감염 확인 시드니 대학교 연구팀은 지난해 2월 초 폭염이 절정에 달했을 때부터 5개월 동안 그레이트 배리어 리프의 원트리 섬에서 462개의 산호 군락을 추적 조사했다. '림놀로지와 해양학 편지(Limnology and Oceanography Letters)'에 발표된 동료 심사 연구에 따르면 5월까지 370개의 산호 군락에서 백화 현상이 나타났고, 7월까지 백화된 산호의 52%가 폐사한 것으로 확인됐다. 일부 산호 종은 95%의 사망률을 보였으며, 연구팀은 죽은 산호 골격이 암초에서 분리되어 잔해로 변하는 '군락 붕괴'가 시작되는 것을 관찰했다. 또한, '고니오포라'라는 산호 종은 산호 조직을 침범하여 죽음에 이르게 하는 '흑색 띠 병'에 감염됐다. 과학자들, 기후 변화 대응 위한 긴급 조치 촉구 연구를 이끈 마리아 번 시드니 대학교 생명환경과학대학 교수는 "이번 연구 결과는 생물 다양성의 보고일 뿐만 아니라 식량 안보와 해안 보호에도 중요한 산호초를 보호하기 위한 긴급 조치의 필요성을 강조한다"고 말했다. 번 교수는 연구 지역이 해안에서 멀리 떨어져 있고 채굴 활동이나 관광으로부터 자유로운 보호 구역임에도 불구하고 심각한 백화 현상을 피할 수 없었다는 점을 지적했다. 이어 "대규모 백화 현상이 2년마다 발생하고 있으며, 이는 기후 목표 달성과 탄소 배출 감축을 위한 긴급한 전 세계적 조치의 필요성을 강조한다"고 덧붙였다. 그레이트 배리어 리프, 잦은 백화 현상으로 심각한 위협에 직면 그레이트 배리어 리프는 약 34만 5000㎢(남한 면적의 약 3.45배)에 달하는 세계 최대의 산호초로, 1500종 이상의 어류와 411종의 경산호가 서식하고 있다. 이는 매년 관광을 통해 호주 경제에 수십억 달러를 기여하며, 호주와 세계의 가장 위대한 자연 wonders 중 하나로 외국인 관광객들에게 홍보되고 있다. 그러나 1998년, 2002년, 2016년, 2017년, 2020년, 2022년에 이어 2024년까지 잦은 백화 현상이 발생하면서 심각한 위협에 직면해 있다. 특히 2022년에는 냉각 효과를 가진 라니냐 현상 기간에도 백화 현상이 발생하여 우려를 더했다. "산호초 보호 위한 즉각적이고 효과적인 관리 개입 필요성" 강조 연구팀은 이번 연구가 생태학과 보존을 넘어 어업, 관광 및 해안 보호를 위해 산호초에 의존하는 지역 사회에도 영향을 미치는 만큼 정책 입안자와 환경 보호 활동가들에게 경종을 울리는 것이라고 강조했다. 아나 빌라 콘세호 시드니 대학교 지구과학대학 교수는 "산호초의 회복력이 전례 없는 시험대에 올랐으며, 기후 변화에 대한 저항력을 높이는 전략을 우선시해야 한다"며 "이러한 생태계를 보호하기 위한 즉각적이고 효과적인 관리 개입이 필요하다"고 강조했다.
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- ESGC
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[기후의 역습(115)] 그레이트 배리어 리프, 7번째 '백화 현상'으로 붕괴 위기
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[퓨처 Eyes(68)] 양자 컴퓨터, '슈뢰딩거의 고양이' 품다
- "어제의 꿈은 오늘의 희망이고, 내일의 현실이다." 20세기 초, 양자역학의 태동과 함께 등장한 '슈뢰딩거의 고양이'는 과학자들에게 끊임없는 탐구의 대상이었다. 죽어있는 동시에 살아있는 고양이라니! 이 기묘한 역설 속에 숨겨진 양자 세계의 비밀은 오랫동안 미지의 영역으로 남아있었다. 그러나 이제, 그 베일이 벗겨지려 한다. 호주 뉴사우스웨일스 대학교(UNSW) 연구팀이 안티몬 원자를 이용하여 양자 컴퓨터의 고질적인 문제였던 오류 발생 가능성을 획기적으로 줄이는 기술을 개발했기 때문이다. '슈뢰딩거의 고양이'를 현실 세계로 불러낸 이 연구는 양자 컴퓨터 개발에 있어 중대한 돌파구를 마련했으며, 인류에게 새로운 미래를 선사할 혁신의 씨앗이 될 것으로 기대된다. 지난 14일(현지시간) 네이처 피직스 저널에 게재된 이 연구는 1세기 넘게 과학계를 괴롭혀 온 양자역학의 난제인 '슈뢰딩거의 고양이'의 비밀을 밝히는 동시에, 양자 컴퓨팅의 가장 큰 걸림돌 중 하나였던 오류 수정 문제에 대한 새로운 해결책을 제시했다는 점에서 학계의 비상한 관심을 모으고 있다. 슈뢰딩거의 고양이, 현실이 되다 '슈뢰딩거의 고양이'는 양자역학의 불가사의한 특징을 설명하는 대표적인 사고 실험이다. 상자 속 고양이의 생사가 방사성 원자의 붕괴 여부에 따라 결정되는 이 실험에서, 양자역학적으로 고양이는 관찰되기 전까지 살아있는 상태와 죽은 상태가 중첩된 상태로 존재한다. 양자역학의 원리를 설명하기 위해 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 1935년에 고안한 사고 실험인 슈뢰딩거의 고양이는 양자역학의 해석이 가진 불완전함을 드러내기 위해 설계됐다. 이 실험의 원리는 다음과 같다. 상상 속의 밀폐된 상자 안에 고양이 한 마리가 들어 있다. 상자 안에는 방사성 물질과 연결된 독가스 장치가 함께 들어 있다. 방사성 물질은 1시간 내에 50% 확률로 붕괴할 수 있으며, 붕괴가 발생하면 독가스가 방출되어 고양이는 죽는다. 반대로 붕괴가 일어나지 않으면 고양이는 살아남는다. 이 실험의 핵심은 상자를 열기 전까지는 고양이가 살아 있는지, 죽어 있는지 알 수 없다는 점이다. 양자역학에 따르면, 상자를 열어보기 전까지 고양이는 살아 있는 상태와 죽어 있는 상태가 동시에 중첩되어 존재한다. 즉, 고양이는 동시에 살아 있으면서 죽어 있는 것이다. 슈뢰딩거는 이 사고 실험을 통해 양자역학의 '중첩' 개념에 의문을 제기했다. 거시세계에서 우리가 관찰할 수 있는 현실에서는 고양이가 죽었거나 살아 있거나 둘 중 하나의 상태만 존재한다. 중첩된 두 상태가 동시에 존재한다는 양자역학적 해석은 직관적으로 받아들이기 어렵기 때문이다. 연구팀은 안티몬 원자의 핵 스핀을 이용하여 이러한 '슈뢰딩거 고양이' 상태를 실제로 구현했다. 안드레아 모렐로 UNSW 교수는 "누구도 동시에 죽고 사는 상태의 실제 고양이를 본 적은 없지만, 슈뢰딩거의 고양이라는 비유는 큰 차이가 있는 양자 상태의 중첩을 설명하는 데 사용된다"고 설명했다. 안티몬(Sb, 원자번호 51)은 주기율표 15족에 속하는 준금속 원료로, 금속성과 비금속성을 모두 가진 독특한 특성이 있다. 기존 양자 컴퓨터는 '큐비트'라는 양자 정보 단위를 사용한다. 큐비트는 0 또는 1의 두 가지 상태를 갖는데, 외부 환경의 영향으로 쉽게 오류가 발생하는 문제점이 있었다. 하지만 안티몬 원자는 8개의 서로 다른 스핀 방향을 가질 수 있어 큐비트보다 훨씬 더 안정적인 양자 정보 저장 및 처리가 가능하다. 논문의 주 저자인 시 유(Xi Yu)는 "안티몬 원자는 '7개의 목숨'을 가진 슈뢰딩거 고양이와 같다"며 "0에서 1로 상태를 바꾸려면 7번의 연속적인 오류가 발생해야 하므로 양자 정보를 안전하게 보호할 수 있다"고 강조했다. 실리콘, 양자 컴퓨팅의 날개를 달다 연구팀은 안티몬 원자를 실리콘 양자 칩에 내장하여 양자 상태를 정밀하게 제어하는 데 성공했다. 다니엘 홈스 UNSW 박사는 "실리콘 기반 기술은 기존 컴퓨터 칩 제작 방식과 유사하게 확장될 수 있어 양자 컴퓨팅의 실용화를 앞당길 수 있을 것"이라고 기대했다. 실리콘 기반 기술의 활용은 양자 컴퓨팅의 확장성을 높이는 데 중요한 역할을 할 것으로 예상된다. 기존 반도체 산업의 인프라를 활용할 수 있다는 점에서 양자 컴퓨터의 대량 생산 및 상용화 가능성을 높일 수 있기 때문이다. 좀 더 자세히 설명하면, 현재 양자 컴퓨터 개발에는 극저온 환경 유지, 복잡한 제어 시스템 구축 등 까다로운 조건들이 필요하다. 하지만 기존 반도체 제조 공정을 활용하면 양자 컴퓨터를 보다 쉽게 제작할 수 있다. 예를 들어, 실리콘 웨이퍼 위에 큐비트를 생성하고 제어하는 기술을 통해 대량 생산이 가능해지고, 이는 곧 양자 컴퓨터의 생산 비용 절감과 상용화 시기를 앞당길 수 있다는 것을 의미한다. 뿐만 아니라 실리콘은 이미 우리 주변의 전자 기기에 널리 사용되는 소재이기 때문에 안정성과 내구성이 검증되었다. 이러한 실리콘의 특징은 양자 컴퓨터의 안정적인 작동과 수명 연장에도 기여할 수 있다. 결과적으로 실리콘 기반 기술은 양자 컴퓨터를 연구실 밖으로 꺼내 우리 생활 속으로 가져올 수 있는 중요한 열쇠가 될 것으로 기대된다. 모렐로 교수는 "이번 연구는 양자 오류 감지 및 수정이라는 양자 컴퓨팅의 '성배'를 향한 중요한 발걸음"이라며 "앞으로 오류 수정 기술을 더욱 발전시켜 실용적인 양자 컴퓨터 개발에 박차를 가할 것"이라고 밝혔다. 이번 연구는 UNSW 시드니, 멜버른 대학교, 샌디아 국립 연구소, NASA 에임스 연구센터, 캘거리 대학교 등 다양한 기관의 국제 협력을 통해 이루어졌다. 모렐로 교수는 이를 "상호 보완적인 전문성을 갖춘 세계적 팀 간의 개방적 국경 협업의 훌륭한 사례"라고 평가했다. 양자 컴퓨터, 새로운 세상을 열다 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터와 달리 '큐비트'라는 양자 정보 단위를 사용한다. 큐비트는 0과 1의 값을 동시에 가질 수 있는 '중첩' 상태를 통해 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠른 속도로 연산을 수행할 수 있다. 다만 큐비트는 외부 환경에 민감하게 반응하여 오류가 발생하기 쉽다는 단점이 있다. 이번 연구에서 UNSW 연구팀은 안티몬 원자의 핵 스핀을 이용하여 큐비트를 구성했다. 안티몬 원자는 핵 스핀이 8개의 다른 방향을 가질 수 있어 0과 1뿐만 아니라 그 사이의 6개 값을 추가로 저장할 수 있다. UNSW의 양자 정보 연구원 벤자민 빌헬름은 "기존 큐비트는 스핀 업(1)과 스핀 다운(0) 두 가지 상태만 가지므로 스핀 방향이 바뀌면 0이 1로, 혹은 1이 0으로 바뀌는 오류가 발생한다"며 "그러나 안티몬 원자는 8개의 상태를 가지므로 하나의 오류가 발생하더라도 정보가 즉시 손상되지 않는다"고 덧붙였다. 안티몬 원자, 큐비트의 수호자 연구팀은 이러한 안티몬 원자의 특성을 "마치 고양이가 목숨이 아홉 개인 것처럼, 한 번의 작은 긁힘으로는 죽일 수 없다"는 속담에 비유하며 "우리의 비유적인 '고양이'는 목숨이 일곱 개나 된다. 0을 1로 바꾸려면 7개의 연속적인 오류가 발생해야 한다"고 설명했다. 안드레아 모렐로 교수는 "단일 또는 몇 개의 오류가 발생하더라도 정보가 즉시 스크램블되지 않는다"며 "오류가 발생하면 즉시 감지하고 추가 오류가 누적되기 전에 수정할 수 있다. 슈뢰딩거의 고양이 비유를 계속하자면 마치 우리 고양이가 얼굴에 큰 긁힘을 입고 집에 오는 것을 본 것과 같다. 고양이는 죽지는 않았지만 싸움에 휘말렸다는 것을 알 수 있다. 우리는 다시 싸움이 일어나 고양이가 더 다치기 전에 누가 싸움을 일으켰는지 찾아낼 수 있다"고 말했다. 이번 연구는 양자 컴퓨터의 오류 감지 및 수정 기술 개발에 중요한 발판을 마련했다는 평가를 받는다. 앞으로 더욱 안정적인 양자 컴퓨터 개발을 통해 의학, 재료 과학, 인공 지능 등 다양한 분야에서 혁신적인 발전이 이루어질 것으로 기대된다. 특히 신약 개발, 암 치료, 인공지능 개발 등 복잡한 문제 해결에 획기적인 전환점을 가져올 수 있을 것으로 전망된다. 양자 컴퓨터, 인류의 미래를 밝히다 이번 연구는 마치 판도라의 상자를 여는 열쇠처럼, 양자 컴퓨팅 시대의 문을 활짝 열었다. 안티몬 원자를 이용한 오류 수정 기술은 양자 컴퓨터 개발의 핵심 과제를 해결하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 더욱 안정적이고 효율적인 양자 컴퓨터의 등장은 과학 기술 분야는 물론, 인류의 삶 전반에 걸쳐 혁명적인 변화를 가져올 것이다. 어쩌면 머지않아 우리는 양자 컴퓨터가 만들어낼 놀라운 미래를 직접 경험하게 될지도 모른다.
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[퓨처 Eyes(68)] 양자 컴퓨터, '슈뢰딩거의 고양이' 품다
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