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2025-04-05 (토)

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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.
- 포커스온
2025-01-23 14:45:00
[신소재 신기술(148)] "뇌 자극으로 촉각 되살린다"…의수 혁명 이끌 신기술

뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)를 통해 촉각을 되살리는 기술이 개발됐다. 미국 시카고대학은 홈페이지를 통해 피츠버그 대학교를 포함한 공동 연구팀이 뇌에 직접 전기 자극을 주어 의수에 촉각을 느끼게 하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술은 뇌에 작은 전극을 이식해 로봇 팔을 움직이고, 로봇 팔의 센서가 감지한 촉각 정보를 다시 뇌로 전달하는 방식이다. 이 연구는 시카고 대학, 피츠버그 대학, 노스웨스턴 대학, 케이스 웨스턴 리저브 대학, 블랙록 뉴로테크의 과학자와 엔지니어들의 협력으로 수행됐다. 연구팀은 사지 기능을 상실한 사람들의 운동 제어 및 감각 회복을 목표로 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)와 로봇 의수를 설계, 제작, 구현 및 개선하고 있다. 시카고 대학의 신경과학자 찰스 그린스폰 박사는 "사람들은 타이핑, 걷기, 컵 잡기 등 시각 대신 촉각에 의존하는 경우가 얼마나 많은지 인지하지 못한다"며 "촉각을 느낄 수 없다면 어떤 일을 할 때도 손을 계속 봐야 하고, 물건을 쏟거나 깨뜨리거나 떨어뜨릴 위험이 있다"고 말했다. 그린스폰 박사 연구팀은 최근 '네이처 바이오메디컬 엔지니어링'과 '사이언스'에 해당 기술에 대한 논문을 게재했다. 인공 촉각 구현, 어디까지 왔나 연구팀은 손을 움직이고 느끼는 뇌 부위에 작은 전극 배열을 이식하는 방법을 사용했다. 참가자는 움직임을 생각하는 것만으로 로봇 팔을 움직일 수 있고, 로봇 팔의 센서는 촉각 담당 뇌 부위에 '피질 내 미세 자극(ICMS)'이라는 전기 활동 펄스를 유발한다. 약 10년 동안 이러한 촉각 중추 자극은 손의 여러 부위에서 단순한 접촉 감각만 제공할 수 있었다. 그린스폰 박사는 "무언가를 만지고 있다는 느낌을 불러일으킬 수는 있었지만, 대부분 단순한 온/오프 신호였고, 종종 매우 약하고 손의 어느 부분에서 접촉이 발생했는지 알기 어려웠다"고 설명했다. 정확하고 안정적인 촉각, 그리고 움직임까지 네이처 바이오메디컬 엔지니어링에 발표된 첫 번째 연구에서 연구팀은 전기적으로 유발된 촉각이 안정적이고 정확하게 위치하며 일상적인 작업에 유용할 만큼 강력한지 확인하는 데 중점을 두었다. 테스트 참가자들의 촉각 중추에 있는 개별 전극에 짧은 펄스를 전달하고 각 감각을 어디에서 얼마나 강하게 느끼는지 보고하게 함으로써 연구원들은 손의 특정 부분에 해당하는 뇌 영역의 상세한 '지도'를 만들었다. 테스트 결과 두 개의 가까운 전극을 함께 자극하면 참가자는 더 강하고 명확한 촉각을 느껴 손의 정확한 부분에 대한 압력을 더 잘 파악할 수 있었다. 또한 연구팀은 동일한 전극이 지속적으로 특정 위치에 해당하는 감각을 생성하는지 확인하기 위해 철저한 테스트를 수행했다. 그린스폰 박사는 "첫날 전극을 자극했을 때 참가자가 엄지손가락에서 느꼈다면, 100일, 1,000일, 심지어 몇 년 후에도 동일한 전극을 테스트했을 때 여전히 거의 같은 지점에서 느낀다"고 말했다. 사이언스에 발표된 두 번째 연구에서는 인공 촉각을 더욱 몰입적이고 직관적으로 만들기 위해 노력했다. 연구팀은 촉각 영역이 겹치는 전극 쌍이나 클러스터를 식별한 후, 감각 지도에서 감각이 진행되도록 신중하게 조정된 패턴으로 활성화했다. 참가자들은 자극이 작고 불연속적인 단계로 전달되었음에도 불구하고 손가락 위로 부드럽게 미끄러지는 듯한 촉각을 느꼈다고 보고했다. 연구팀은 이 결과를 뇌가 감각 입력을 연결하고 '지각의 틈을 채워' 일관된 움직임으로 해석하는 놀라운 능력 덕분이라고 설명했다. 전극을 순차적으로 활성화하는 방식은 참가자가 복잡한 촉각 모양을 구별하고 만지는 물체의 변화에 반응하는 능력을 크게 향상시켰다. 참가자들은 손가락 끝에 전기적으로 '그려진' 알파벳을 식별할 수 있었고, 바이오닉 팔을 사용하여 손에서 미끄러지기 시작하는 스티어링 휠을 안정시킬 수 있었다. 더욱 실감나는 신경 보철 기술 기대 연구팀은 전극 설계와 수술 방법이 계속 개선됨에 따라 손 전체에 대한 범위가 더욱 정밀해져 더욱 실감 나는 피드백을 제공할 수 있기를 기대한다. 피츠버그 대학의 재활의학과 부교수이자 자극 연구 책임자인 로버트 건트 박사는 "이 두 연구 결과를 로봇 시스템에 통합하여 단순한 자극 전략으로도 사람들이 뇌로 로봇 팔을 제어하는 능력을 향상시킬 수 있음을 보여주었다"고 말했다. 그린스폰 박사는 이 연구의 동기가 사지 절단이나 마비로 고통받는 사람들의 독립성과 삶의 질을 향상시키는 것이라고 강조했다. 그는 "우리 모두는 부상을 입고 사지를 사용할 수 없게 된 사람들을 돕고 싶어한다"며 "이 연구는 그들을 위한 것이다. 이것이 우리가 사람들에게 촉각을 되돌려주는 방법이다. 복원 신경 기술의 최전선이며 뇌의 다른 영역으로 접근 방식을 확장하기 위해 노력하고 있다"고 말했다. 연구팀은 "촉각을 느끼는 뇌 부위를 정확히 파악하고, 전기 자극을 미세하게 조절하는 게 관건"이라며 "앞으로 전극 설계와 수술 방법을 개선해 더욱 실감나는 촉각을 구현할 수 있도록 노력할 것"이라고 밝혔다. 이 접근 방식은 다른 유형의 감각 상실이 있는 사람들에게도 희망을 준다. 연구팀은 유방 절제술 후 촉각을 회복할 수 있는 이식형 장치를 개발하는 '바이오닉 유방 프로젝트'를 위해 시카고 대학의 외과 의사 및 산부인과 의사와 협력하고 있다. 아직 많은 과제가 남아 있지만, 이러한 최신 연구는 촉각을 회복하는 길이 점점 더 명확해지고 있음을 보여준다.
- IT/바이오
2025-01-17 14:38:00
[신소재 신기술(147)] 극저온 양자 냉장고, 신뢰성 높은 양자 컴퓨터 시대 열다

양자 컴퓨터의 신뢰할 수 있는 계산 수행을 위해 필수적인 극저온 기술에 새로운 진전이 이루어졌다. 스웨덴 샬머스 공과대학과 미국 메릴랜드 대학 연구진은 초전도 양자비트를 자율적으로 기록적인 저온까지 냉각시킬 수 있는 새로운 유형의 양자 냉장고를 개발했다고 밝혔다. 이 혁신적인 기술은 양자 컴푸터의 오류율을 줄이고 계산 신뢰성을 크게 높이는 기반을 마련했다. 해당 연구에 대해서는 네이처닷컴, Phys, 뉴 사이언티스트 등 다수 외신이 보도했다. 양자 컴퓨터는 의학, 에너지, 암호화, 인공지능(AI), 물류 등 다양한 분야에서 기존 기술을 혁신할 잠재력을 가지고 있다. 양자 컴퓨터의 기본 단위인 '양자비트(Qubit)'는 기존 컴퓨터의 비트처럼 0 또는 1의 값을 가지는 대신, 0과 1을 동시에 가질 수 있는 '중첩(superposition)' 상태를 통해 병렬 계산이 가능하다. 이는 양자 컴퓨터가 방대한 계산 잠재력을 발휘할 수 있는 주요 원인이다. 하지만 양자비트는 외부 환경에 극도로 민감하다. 샬머스 공과대학의 양자 기술 연구 전문 연구원 아미르 알리는 "약한 전자기 간섭도 양자비트의 값을 무작위로 바꿔 오류를 일으킬 수 있다"며, 이를 방지하기 위해 비트를 절대영도(섭씨 -273.15도)근처의 상태로 냉각해야 한다고 설명했다. 현재 사용되는 희석 냉장고는 양자비트를 약 50밀리켈빈(절대 온도에서 약간 높은 온도)까지 냉각할 수 있지만, 이를 더 낮추는 것은 열역학법칙에 따라 어려움이 따른다. 이에 따라 연구진은 기존 냉각 기술을 보완하는 자율형 양자 냉장고를 개발했다. 이 냉장고는 초전도 회로를 기반으로 하며, 환경에서 발생하는 열을 동력으로 삼아 외부 제어 없이 작동한다. 새로운 냉장고는 목표 양자비트를 22밀리켈빈까지 냉각할 수 있으며, 계산 전 양자비트가 '기저 상태(ground state)'에 있을 확률을 99.97%까지 높였다. 이는 기존 기술 대비 성능을 한층 끌어올린 결과다. 연구를 이끈 아미르 알리는 "미세한 차이처럼 보일 수 있지만, 반복적인 계산에서는 큰 효울성 향상을 가져온다"고 강조했다. 양자 냉장고는 두 개의 양자 비트간 상호 작용을 활용해 목표 양자 비트의 열을 제거한다. 한 비트는 열 환경에서 에너지를 받아 들이고, 다른 비트는 이 에너지를 냉각된 환경으로 전달한다. 이 과정은 완전히 자율적으로 이루어진다. 이번 연구는 자율형 양자 열기계가 실제로 유용한 작업을 수행한 첫 사례로 평가된다. 샬머스 공과대학의 시모네 가스파리네티 교수는 "초기에는 개념 증명 정도로 생각했지만, 이 기계의 성능이 기존의 냉각 프로토콜을 뛰어넘는다는 사실이 놀랐다"고 말했다. 이 기술은 스웨덴 샬머스 공과대학의 나노 제작실 마이팹(Myfab)에서 개발됐다. 이번 연구는 학술지 '네이처 피직스(Nature Physics)'에 게재됐다. 연구진은 향후 이 기술이 양자 컴퓨터의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대하고 있다. ◇ 참고 논문: "Thermally driven quantum refrigerator autonomously resets a superconducting qubit", Nature Physics (2025), DOI: 10.1038/s41567-024-02708-5
- IT/바이오
2025-01-10 14:23:00
[신소재 신기술(146)] 국내 연구진, 고체 내 전자의 양자 기하학 첫 측정…양자역학 새 지평 열다

국내 연구진이 포함된 국제 공동 연구팀이 고체 내에서 움직이는 단일 전자의 기하학적 '형태'를 최초로 즉정하는 데 성공했다. 이번 연구는 결정질 고체의 양자적 거동을 연구하는 새로운 방법을 제시하는 획기적인 성과로 평가된다고 사이언스 얼럿이 5일(현지시간) 전했다. 과학자들은 전자의 에너지와 운동을 계산하는 방법을 알고 있었지만, 전자의 양자 모양을 이해하는 것은 지금까지 이론적으로만 가능했다고 인터레스팅엔지니어링은 지적했다. 미국 매사추세츠 공과대학교(MIT)의 리카르도 코인(Riccardo Comin) 물리학과 교수는 "우리는 이전에는 얻을 수 없었던 새로운 정보를 얻는 방법을 개발했다"고 밝혔다. 이번 연구는 MIT에서 박사후 연구원으로 재직했으며 현재 코넬 대학교에 있는 강민구 박사와 서울대학교 김선제 교수가 주도했다. 물리학에서 물질은 고전 물리학으로 설명되는 방식으로 주로 이해된다. 그러나 입자 간 상호 작용이나 측정이 이루어지는 근본적인 수준에서는 고전 물리학과 달리 양자역학의 원리에 따라 움직인다. 전자는 입자와 파동, 두 가지로 행동할 수 있다. 전자를 입자라고 부르지만, 이는 작은 콩과 같은 이미지를 연상시키기 쉽다. 그러나 전자의 크기와 그 양자적 특성은 파동의 형태로 설명하는 게 훨씬 더 정확하다. 물리학자들은 전자의 파동적 측면을 설명하기 위해 파동함수를 사용한다. 파동함수는 특정 위치에서 특정 상태의 입자가 존재할 확률을 기술하는 수학적 모델로, 전자의 양자적 특성을 표현한다. 이러한 파동함수의 일부 특징은 기하학적 형태로 해석될 수 있으며, 이는 곡선이나 구와 같이 무한한 방향으로 회전하는 구조를 갖는다. 원자 격자 내 전자의 양자 기하학은 클라인 병이나 뫼비우스 띠처럼 복잡한 형태로 나타나기도 한다. 연구 저자들은 "지금까지의 파동함수의 양자 기하학은 이론적으로만 추론될 수 있었거나 전혀 추론될 수 없었다"고 말했다. 그들은 그러나 "물리학자들이 양자 컴퓨터부터 고급 전자 기기 및 장치에 이르기까지 모든 것에 잠재적으로 적용할 수 있는 양자 물질은 점점 더 많이 발견함에 따라 이 속성은 점점 더 중요해지고 있다"라고 덧붙였다. 고체 내 전자의 복잡한 양자 기하학의 일부를 결정하는 것은 물리학자들이 간접적으로 추론하는 방식에 의존해왔다. 강민구 박사와 김선진 교수 연구팀은 전자의 양자 기하학을 직접 측정하기 위해 '양자 기하학적 텐서(QGT)'라는 물리량을 활용했다. QGT는 2차원 홀로그램이 3차원 공간의 정보를 인코딩하는 것과 유사하게, 양자 상태의 전체 기하학적 정보를 담고 있다. 연구팀은 '각도 분해 광전자 분광법(ARPES)'을 사용해 전자의 양자 기하학을 측정했다. 이 기술은 물질에 광자를 조사해 전자를 방출시키고, 전자의 편광, 스핀, 방출 각도 등 다양한 특성을 분석하는 방식이다. 이번 연구는 코발트-주석 합금 단결정을 대상으로 진행했다. 이 물질은 '카고메 금속(kagome metal)'으로 알려져 있으며, 연구팀은 앞선 연구에서도 동일한 물질의 특성을 조사한 바 있다. 연구 결과 고체 내에서 QGT를 최초로 측정했으며, 이를 통해 금속 내 전자의 나머지 양자 기하학적 특성을 유추할 수 있었다. 연구팀은 이 결과를 이론적으로 도출된 양자기하학과 비교해 즉접 측정과 추론 방식의 유효성을 검증했다. 팀은 이번 기술이 코발트-주석 합금뿐 아니라 다양한 재료에 적용 가능하다고 밝혔다. 특히, 초전도성이 발견되지 않은 물질에서 초전도성을 발견하는 등 새로운 가능성을 열 것으로 기대된다. 익명을 요한 한 전문가는 '양자역학의 기하학적 해석은 최근 응집물질 물리학 분야에서 많은 진전을 이루는 데 중요한 역할을 했다"며 "연구팀은 양자 상태의 기하학적 특성을 근본적으로 규명하는 QGT에 실험적으로 접근하는 방법을 개촉했다"고 평가했다. 그는 이어 "이번 연구에서 개발된 방법은 간단하고, 다양한 고체 재료에 적용할 수 있어 새로운 양자 현상에 대한 기하학적 이해를 이끌어낼 잠재력이ㅐ 크다"고 덧붙였다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 피직스(Nature Physics)'에 게재됐다.
- IT/바이오
2025-01-06 15:05:00
[우주의 속삭임(90)] 우주의 찰나의 불꽃, 고속 전파 폭발의 기원 밝혀져

극도로 밀집된 천체에서 방출되는 찰나의 강력한 전파 폭발, 고속 전파 폭발(FRB-Fast Radio bursts))의 기원이 마침내 밝혀졌다. 미국 MIT 연구진은 FRB 20221022A로 명명된 고속 전파 폭발을 분석해 그 근원이 중성자별의 자기권임을 규명하는 데 성공했다고 Phys가 1일(현지시간) 전했다. 이번 연구 결과는 학술지 네이처(Nature) 최신호에 게재됐다. 고속 전파 폭발(FRB)은 밀리초 길이의 전파 펄스다. 그 에너지는 너무 강력해서 수십억 광년을 이동하여 지구에서도 감지될 수 있다. 2007년 최초로 발견된 이후, 수천 개의 고속 전파 폭발이 관측되었지만, 그 발생 원리는 여전히 베일에 싸여 있었다. 이러한 우주 전파 섬광은 1,000분의 1초라는 찰나의 순간 동안 은하 전체를 밝힐 만큼 막대한 에너지를 방출한다. 일각에서는 이 현상이 외계 문명에서 기원했을 가능성도 제기됐다. 하버드-스미소니언 천체물리학 센터의 아비 로브 교수 등 일부 이론물리학자들이 이런 주장을 펼쳤다. '섬광 기법'으로 전파 신호의 정확한 위치 파악 MIT 연구진은 FRB 20221022A의 밝기 변화를 분석하는 '섬광' 기법을 통해 전파 신호의 정확한 위치를 파악했다. 연구 결과, FRB는 일부 기존 모델에서 예측했던 먼 거리에서 기원한 것이 아니라, 발생원과 매우 가까운 곳에서 비롯된 것으로 확인됐다. 연구진은 FRB 20221022A가 회전하는 중성자별에서 최대 10,000km 떨어진 곳에서 발생했다고 추정했다. 이는, 뉴욕과 싱가포르까지의 거리보다 가깝다. 이는 폭발이 중성자별을 둘러싼 강력한 자기 영역, 즉 자기권에서 발생했음을 시사한다. 이번 연구는 고속 전파 폭발이 극도로 밀집된 천체 주변의 자기권에서 발생할 수 있다는 결정적인 증거를 최초로 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다. 연구를 주도한 MIT 카블리 천체물리학 및 우주 연구소의 켄지 니모 박사는 "중성자별의 자기장은 우주에서 생성될 수 있는 가장 강력한 수준에 이른다"며 "이러한 극한 환경에서 밝은 전파가 방출되고 탈출할 수 있는지에 대한 오랜 논쟁이 있었다"고 말했다. MIT 물리학과 키요시 마스이 부교수는 "자기장이 강력한 중성자별 주변에서는 원자가 존재할 수 없다. 강력한 자기장에 의해 원자는 해체된다"며, "흥미로운 점은 자기장에 저장된 에너지가 꼬이고 재구성되어 우주의 절반을 가로질러 관측 가능한 전파로 방출될 수 있다는 사실"이라고 강조했다. CHIME 망원경이 관측한 고속 전파 폭발 이 연구는 캐나다 수소 강도 매핑 실험(CHIME) 망원경의 관측 데이터를 기반으로 수행됐다. CHIME은 2020년 이후 전 우주에서 수천 개의 FRB를 탐지하며 고속 전파 폭발 연구에 새로운 지평을 열었다. MIT 연구진은 CHIME를 이용해 FRB 20221022A라는 고속 전파 폭발을 관측하고 섬광 현상을 분석했다. 이 폭발은 약 2밀리초 동안 지속되었으며, 밝기 면에서는 일반적인 FRB와 유사했다. 그러나 맥길 대학교 연구진은 FRB 20221022A에서 독특한 특징을 발견했다. 폭발에서 나온 전파는 편광각이 S자 곡선을 그리며 부드럽게 변하는 높은 편광을 보였다. 이는 폭발 지점이 회전하고 있음을 나타내며, 강력한 자기장을 가진 회전하는 중성자별인 펄서에서 관측되는 특징과 유사하다. 고속 전파 폭발에서 이와 같은 편광이 관측된 것은 처음이다. 이는 신호가 중성자별 근처에서 방출됐음을 암시한다. 맥길 대학교 연구팀의 결과는 네이처(Nature)지에 함께 게재됐다. MIT 연구진은 FRB 20221022A가 중성자별 근처에서 발생했다면 섬광을 이용하여 이를 입증할 수 있다고 판단했다. 니모 박사 연구팀은 CHIME 데이터를 분석하여 밝기의 급격한 변화, 즉 섬광 현상을 관측했다. 연구진은 전파를 굴절시키고 걸러내는 가스가 망원경과 FRB 사이 어딘가에 존재한다는 사실을 확인했다. 연구팀은 이 가스의 위치를 파악한 결과, FRB가 속한 은하 내 가스가 섬광 현상의 원인임을 밝혀냈다. 이 가스는 자연적인 렌즈 역할을 하여 연구진이 FRB 발생 지점을 확대해 분석할 수 있도록 했다. 그 결과 폭발이 약 10,000km 폭의 매우 작은 영역에서 발생한 것을 확인했다. 니모 박사는 "이는 FRB가 발생원으로부터 수십만 km 이내에 위치함을 의미한다"며 "이는 매우 가까운 거리다. 만약 충격파에서 발생했다면 신호는 수천만 km 이상 떨어져 있어야 하며 섬광 현상은 전혀 관찰되지 않았을 것"이라고 설명했다. 마스이 부교수는 "2억 광년 떨어진 곳에서 10,000km 영역을 확대하는 것은 달 표면에서 약 2나노미터 폭의 DNA 나선의 너비를 측정하는 것과 같다"며 "상상하기 어려울 정도로 정밀한 수준"이라고 말했다. 이번 연구 결과는 맥길 대학교 연구팀의 결과와 함께, FRB 20221022A가 중성자별 외곽이 아닌 자기권에서 발생했다는 가능성을 최초로 입증했다. 이는 고속 전파 폭발이 매우 강력한 자기장이 존재하는 환경에서 중성자별과 가까운 위치에서 방출될 수 있음을 시사한다. 마스이 부교수는 "이러한 폭발은 매일 일어나고 있으며 CHIME은 하루에도 여러 개를 감지한다"며 "발생 방식과 위치에 다양한 차이가 있을 수 있다. 섬광 기법은 이러한 폭발을 일으키는 다양한 물리적 현상을 분석하는 데 매우 유용할 것"이라고 강조했다. 이번 연구는 고속 전파 폭발의 발생 메커니즘을 규명하는 데 중요한 단서를 제공하며, 우주에 대한 이해를 넓히는 데 크게 기여할 것으로 기대된다.
- IT/바이오
2025-01-02 15:58:00
[신소재 신기술(145)] 쥐도 VR 체험 시대? 뇌 연구 혁신 이끌 VR 헤드셋 개발

뇌 연구의 새로운 지평을 열 생쥐 전용 가상현실(VR) 헤드셋이 개발됐다. 메타(구 페이스북)의 메타 퀘스트(Meta Quest)나 애플 비전 프로(Apple Vision Pro)와 같은 가상현실(VR) 헤드셋은 인간 전용으로 이용되고 있다. 그런데 이번에 쥐에게 씌우는 VR 헤드셋이 개발돼 주목된다고 PHYS가 전했다. 코넬 대학교 연구진이 뇌 연구에 사용하기 위해 실험실 생쥐용 VR 헤드셋을 개발했다. 그 결과는 네이처 메서드(Nature Methods) 저널에 최근 게재됐다. 이 VR 고글을 사용하면 학자들이 실제 쥐에게 몰입형 경험을 제공하는 동시에 설치류의 뇌 활동에 대한 형광 이미지를 포착할 수 있다고 한다. 연구진은 작은 쥐보다 훨씬 큰 크기의 고글은 스마트워치 디스플레이와 작은 렌즈 등 저렴한 기성 부품을 사용해 제작됐다고 말했다. 코넬 대학교의 매튜 아이작슨 박사는 코넬 대학교 공식 보도 자료에서 "다른 용도로 제작된 기기의 부품을 가져와 새로운 생물학적 용도의 헤드샛을 만들게 됐다“고 밝혔다. 아이작슨은 "쥐를 위한 VR 헤드셋에 완벽하게 맞는 크기의 디스플레이는 검토 결과 스마트워치용으로 이미 만들어진 것으로 충분히 사용할 수 있었다"며 "모든 부품을 새로 만들거나 설계할 필요가 없이 기성품으로 활용했다. 필요한 모든 부품을 저렴하고 쉽게 조달할 수 있었다"고 설명했다. 쥐는 뇌 활동 연구에 가장 많이 사용되는 생체다. 약 10년 전, 학자들은 가상현실 환경을 만드는 수단으로 쥐를 위한 엉성한 프로젝터 스크린을 사용하기 시작했지만, 이들 장치는 너무 많은 빛과 소음을 발생시켜 적절한 실험을 진행할 수 없었다. 코넬 대학교의 생물의학 공학 교수 크리스 샤퍼는 "생쥐용 VR 헤드셋을 사용해 쥐의 행동을 더 몰입적으로 만들면, 더욱 자연스러원 뇌 기능을 연구할 수 있을 것”이라고 기대했다. 마우스고글이라는 이름의 새로운 VR 헤드셋은 쥐가 머리를 고정한 채 공 모양의 러닝머신 위에 서 있도록 한다. 헤드셋은 머리에 부착되어 막대로 고정되고 쥐는 러닝머신 위에서 빙빙 돌게 된다. 연구진은 이 헤드셋이 제대로 작동하는지 확인하기 위해 쥐에게 접근하는 것처럼 보이도록 확장되는 어두운 얼룩의 이미지를 투영했다. 아이작슨은 "큰 화면이 있는 일반적인 VR 디스플레이에서 쥐를 대상으로 같은 테스트를 시도했을 때는 쥐가 전혀 반응하지 않았다. 그런데 개발된 VR 헤드셋을 이용한 시험에서는 거의 모든 쥐가 깜짝 놀라는 반응을 보였다. 쥐들은 그 이미지를 다가오는 포식자에게 공격당하는 것으로 인식하는 것 같았다“고 했다. 연구진은 또 VR 이미지가 제대로 작동하는지 확인하기 위해 쥐의 두 개의 주요 뇌 영역을 검사했다. 1차 시각 피질의 결과는 헤드셋이 쥐가 볼 수 있는 선명하고 대비가 높은 이미지를 형성한다는 것을 확인했으며, 두 번재 해마의 판독 결과는 쥐가 제공된 가상 환경을 성공적으로 매핑하고 있다는 것을 확인했다. 연구진은 이 VR 고글이 포유류(쥐든 인간이든)가 주변 환경을 돌아다닐 때 발생하는 뇌 활동을 연구하는 데 사용될 수 있으며, 연구자들에게 알츠하이머병과 같은 질환에 대한 새로운 통찰력을 제공할 수 있다고 말했다. 연구진은 쥐와 같은 대형 실험용 설치류가 착용할 수 있는 경량의 모바일 버전을 포함해 헤드셋을 추가로 개발한다는 계획이다. 또한 VR 경험에 미각이나 후각과 같은 더 많은 감각을 통합할 수 있는지도 확인한다는 방침이다.
- IT/바이오
2025-01-02 09:06:00
[우주의 속삭임(87)] 나사, 목성 위성 이오 화산 미스터리 44년 만에 해결

나사(NASA)가 태양계에서 가장 화산이 많은 목성의 비밀을 밝혔다. 이는 목성의 위성인 이오(Io)가 왜, 어떻게 그토록 화산 활동이 활발했는지에 대한 44년 동안의 수수께끼를 해결한다고 나사가 홈페이지를 통해 전했다. 나사에 따르면 이오는 지름이 3600km로 지구의 위성인 달보다 약간 크고, 약 400개의 화산이 있는 것으로 추정된다. 이 화산 폭발로 인한 연기는 우주로 수km까지 뻗어 나가고, 지구에서도 대형 망원경으로 볼 수 있다. 이오에서의 화산 활동은 지난 1979년 나사 제트추진연구소(JPL)의 과학자 린다 모라비토가 나사의 보이저 1호 우주선이 촬영한 이미지에서 처음 확인했다. 샌안토니오에 있는 사우스웨스트 연구소의 나사 주노 우주선 수석 연구원인 스콧 볼튼은 게시글에서 "모라비토의 발견 이후 행성 과학자들은 화산이 표면 아래의 용암에서 어떻게 에너지를 받아 폭발했는지 궁금해 했다"며, 이에 대해 "화산을 폭발시키는 뜨거운 마그마의 얕은 바다가 있었을까, 아니면 그 근원이 더 지역적이었을까 등 다양한 주장이 제기됐다"고 설명했다. 지난 2011년 목성과 목성 궤도를 도는 위성을 연구하기 위해 발사된 주노 우주선은 2023년과 2024년 두 차례 이오를 매우 근접해 비행하면서, 거품이 이는 표면에서 1500km 이내까지 접근했다. 볼튼은 "주노가 이오의 매우 가까이서 촬영한 데이터를 통해, 이오의 화산이 실제로 어떻게 작동하는지에 대한 정보를 얻을 수 있었다"고 말했다. 이러한 접근 과정에서 우주선은 이오의 중력을 측정할 수 있는 데이터를 수집했다. 이오는 목성과 평균 42만 2000km 떨어진 곳에서 궤도를 타원형으로 돌며, 한 바퀴를 도는 데는 42.5시간이 걸린다. 타원형의 궤도 모양 때문에 모행성, 즉 목성으로부터 이오까지의 거리는 달라지고 목성의 중력도 달라진다. 즉, 이오는 조석 굴곡(tidal flexing)으로 알려진 과정에서 스트레스 볼처럼 끊임없이 압축되고 방출된다. 볼튼은 "이러한 끊임없는 굴곡(압축과 방출)은 엄청난 열 에너지를 생성해 이오 내부의 일부를 녹였다"고 설명했다. 과거에는 이러한 굴곡 때문에 이오의 내부에 티라미수(일종의 치즈케이크) 층처럼 전체 표면 아래에 펼쳐진 거대한 마그마 바다가 있을 것이라고 생각했다. 그러나 볼튼이 주도해 이달 초 네이처지에 발표한 연구에 따르면 이는 사실이 아니다. 볼튼 연구팀의 분석에 따르면 목성의 화산 위성 이오는 마그마 바다가 아니며 내부는 대부분이 고체로 이루어져 있고, 이는 각각의 화산이 지하에 휘몰아치는 마그마 챔버(마그마가 급속히 분출될 때 생긴 빈 공간)를 가지고 있음을 시사한다는 것이다. 나사 제트추진연구소의 주노 공동 연구원인 라이언 파크는 "이오에 마그마 바다가 형성되어 있는 것이 아니라는 주노의 발견은 천문학계가 이오에 대해 알고 있었던 것을 재정립하는 이상의 의미를 갖는다"고 말했다. 파크는 "이 연구 결과가 목성의 위성 유로파와 토성의 위성 엔셀라두스, 그리고 우리 태양계 너머의 외계 행성에까지 영향을 미친다. 우리의 새로운 발견은 행성의 형성과 진화에 대해 알고 있는 것을 다시 생각할 기회를 제공한다"고 설명했다.
- IT/바이오
2024-12-18 14:11:00
[기후의 역습(100)] 해외여행 증가로 누적 탄소 발생량 급증

여행 산업에서의 누적적인 탄소 발생이 전에 없던 속도로 증가하고 있는 것으로 나타났다. 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 발표된 논문에 따르면 지난 10년 동안 해외 여행에 대한 수요가 증가하면서 매년 이산화탄소 배출량이 증가하고 있다고 네이처 온라인판이 전했다. 분석은 호주 퀸즐랜드 대학교의 야옌 쑨 교수팀이 수행했다. 연구에 따르면 해외 관광으로 인한 온실가스 배출량이 매년 3.5%씩 증가하고 있으며, 이는 전체 경제 성장의 약 2배에 달하는 속도다. 관광 배출량이 가장 높은 상위 20개국에서는 관광업이 최대 5%까지 매우 빠른 속도로 성장하고 있다. 이로 인해 해당 지역에서 더 많은 방문객에게 서비스를 제공하기 위해 더 많은 에너지를 소비하고 있다고 연구진은 말했다. 1인당 관광 배출량에도 불균형이 존재하는데, 미국, 중국, 인도를 포함해 탄소를 가장 많이 배출하는 20개국이 총 탄소 누적 발생량의 4분의 3을 차지했다. 탄소 집약적인 항공 등 교통수단 항공 및 지상 여행을 포함한 교통수단은 탄소 집약적이라는 특성으로 인해 탄소 배출량이 특히 많았다. 또한 기술 효율성의 느린 향상도 글로벌 관광으로 인한 탄소 배출량 증가에 큰 영향을 미쳤다. 2020년부터 시작된 코로나19 대유행으로 인해 2년 여 동안 해외 여행이 사실상 중단되었지만, 코로나19 유행과 위험도가 낮아지면서 관광이 맹렬히 회복됐고 여행 산업은 더욱 빠르게 성장했다. 연구팀은 코로나19 대유행 동안 여행이 60% 감소했지만, 2023년부터 활발해지기 시작해 2024년 말까지는 완전히 회복될 것으로 예상된다고 덧붙였다. 지난달 지구와 환경 커뮤니케이션(Communications Earth & Environment) 저널에 게재된 다른 논문에서는 최근 몇 년 동안 개인 항공기의 이산화탄소 배출량이 큰 폭으로 증가했다고 밝혔다. 등록된 2만 5993대의 비즈니스 제트기 유형 개인 항공기가 운항한 1865만 5789차의 개인 항공편 비행 추적 데이터 분석에 따르면, 2019~2023년 사이 개인 항공으로 인한 연간 이산화탄소 배출량은 46% 증가했다. 논문은 개인 항공기를 정기적으로 이용하는 일부 개인은 일반 개인보다 1년에 거의 500배 더 많은 이산화탄소를 배출했다고 밝혔다. 국제 행사 전후해서 탄소 배출량 급증 연구는 특정 국제 행사를 전후해 상당한 탄소 배출 피크(최고점)가 있었다고 지적했다. 2023년 두바이에서 개최된 유엔 기후 변화 회의인 COP28(유엔 기후변화협약 당사국 총회)은 644대의 개인 항공편 운행을 유발했고, 기후 변화를 억제하자는 논의에도 불구하고 4800톤의 이산화탄소를 배출했다. 아랍에미리트에서 개최된 2022년 FIFA 월드컵은 1846대의 개인 항공편 이동이 있었고, 이는 약 1만 4700톤의 이산화탄소를 배출한 것으로 추정된다. 개인 항공은 전체 항공 배출량의 약 7.9%를 차지한다. 쑨 교수팀이 2018년 실시한 연구에 따르면 관광은 전 세계 온실가스 배출량의 약 8%를 차지했다. 그 수치는 현재 크게 높아졌을 것이라는 추정이다. 탄소 제로 측면에서 관광 산업은 그다지 뚜렷한 진전을 이루지 못했다는 것이다. 연구진은 관광 부문을 글로벌 기후 목표에 맞추기 위해서는 효과적인 정책 시행이 시급하다고 강조했다. 국가 차원에서 관광 배출을 모니터링해야 한다는 것이다. 현재 뉴질랜드와 덴마크 정도만 이를 수행하고 있다. 관광은 세계에서 가장 큰 경제 부문 중 하나다. 사람들은 여행할 때 교통, 음식, 숙박 및 쇼핑을 수반하기 때문이다. 세계 여행 및 관광 협회에 따르면 글로벌 관광 산업은 2023년 약 10조 달러로 추산된다.
- ESGC
2024-12-12 14:21:00
[기후의 역습(99)] 나사 위성, 35년 전보다 10배 더 푸른 남극 공개

얼음과 거의 동의어로 인식되는 대륙인 남극대륙의 하얀 단색 풍경이 적어도 가장자리 주변에서는 더욱 푸르러지고 있다. 랜드샛(Landsat) 위성이 35년 동안 관측한 내용을 분석한 결과, 남극반도의 식생 면적은 1986년 이후 10배 이상 증가했다고 나사(NASA)가 홈페이지를 통해 밝혔다. 빙하가 줄어들고 기온이 상승함에 따라, 식물들은 이 지역은 물론 다른 한랭 기후 지역으로 이동할 기회가 더 많아지고 있다. 연구진은 남극반도에서의 녹지 확장이 남극 생태계의 변화를 알리는 신호일 수 있으며, 이는 남극반도의 미래에 대한 의문을 불러일으킨다고 우려한다. 연구진은 랜드샛5에서 랜드샛8까지의 관측 이미지를 토대로 분석한 결과, 남극반도의 식생지 면적이 1986~2021년 사이에 0.86㎢에서 11.95㎢로 증가했다고 밝혔다. 주목할 점은 녹지 공간의 확장이 2016년부터 가속화되었다는 것이다. 최근 네이처 지오사이언스에 발표된 이 연구는 엑서터 대학교의 환경 과학자 톰 롤랜드와 하트퍼드셔 대학교의 원격 감지 전문가 올리 바틀릿이 주도했다. 분석 결과는 지도(사진)로 요약되어 소개됐다. 지도는 분석 대상 기간 중 선택된 특정 연도에 고도 300m 이하의 얼음이 없는 땅의 녹지 양을 보여준다. 각 육각형의 그늘은 식생 지수(NDVI) 값으로, 위성에 의해 표시되는 식물 녹색도 및 밀도 수준을 나타낸다. NDVI 값은 성장기가 끝날 때까지 이어지는 매년 3월의 랜드샛 관측에서 파생되었다. 지도는 사우스 셰틀랜드 제도(각 지도의 왼쪽 상단)를 가로질러 식물 성장이 가능한 남쪽 한계선까지 반도의 서쪽 아래로 식물 번식이 확장되었음을 보여준다. 남극반도에 대한 과거 현장 연구에서도 녹색 이끼류가 광대한 면적을 차지하면서 수직으로 축적돼 '둑'을 형성한 것으로 나타났다. 이끼는 매년 새로운 세로 층을 형성했다. 롤랜드 연기팀은 종전 연구에서 반도 서쪽을 따라 이끼 둑에서 채취한 샘플로 탄소 연대를 측정했다. 분석 결과, 이끼가 축적되는 속도는 지난 50년 동안 증가했으며, 이는 기후 변화 속에서 생물학적 활동이 증가했음을 시사했다. 연구진은 이곳의 식물이 영역을 위쪽으로, 즉 수직으로 확장하는 것뿐만 아니라 수평, 즉 바깥쪽으로도 확장하고 있는지를 탐구했다. 이번 연구는 수십 년 동안의 랜드샛 기록을 활용해 이를 확인한 것이다. 롤랜드는 "핵심 샘플을 기반으로 조사한 결과 예상치 못한 심각한 결과가 나왔다"고 말했다. 녹색화의 속도도 빨랐다. 서남극에서 남극해로 튀어나온 남극반도는 지구에서 가장 빠르게 온난화되는 곳 중 하나다. 대부분의 빙하가 녹아 후퇴하고 있다. 최근 몇 년 동안 새로운 이끼류 식물이 증가한 것은 남극 해빙(바다위 얼음) 면적이 감소하고, 녹는 바닷물이 증가하며, 이것이 더욱 따뜻하고 습한 조건을 만들어낸 데 기인할 수 있다고 연구진은 언급했다. 식물이 남극반도에서 성장하면서 이 독특한 서식지의 생물다양성에 대한 의문이 제기됐다. 빙하 후퇴 후에 무엇이 올 것인가에 대한 의문이다. 연구진이 우려하는 것은 이끼가 있는 곳에서 토양 형성이 뒤따르면서, 외래종 식물이 성장의 발판을 찾을 기회가 더 많아진다는 것이다. 그렇게 되면 이 지역의 생물다양성이 침식되거나 왜곡될 수 있다. 남극에는 수백 종의 토종 이끼, 우산이끼, 지의류, 균류가 서식하고 있지만, 토종 꽃식물은 두 종뿐이다. 관광과 연구 목적으로 남극대륙에 인간의 발길이 많아지면 토종이 아닌 종이 유입될 수 있다. 이미 북부 남극반도와 인근 섬에서 침입 사례가 여러 건 기록되었다. 연구진은 추운 고위도 생태계에서 온도 제한이 풀리면 생물 보안이 위협받을 것이라고 우려했다. 롤랜드 연구팀은 랜드샛 위성 데이터의 실체를 확인하기 위해 현장으로 돌아가 변화를 더 세부적으로 관찰하고 변화를 직접 확인한다는 계획이다.
- ESGC
2024-12-10 14:11:00
[우주의 속삭임(85)] 우주 거대 은하 생성, 미스터리 해결 근접

오랫동안 천문학자들의 궁금증을 풀어주지 못했던 은하 생성의 비밀이 풀릴 수 있을까. 수십 년 동안 전문가들을 당혹스럽게 했던 우주에서의 거대 은하 생성에 대한 미스터리를 해결할 실마리가 잡혔다고 PHYS가 전했다. 천문학자들이 거대한 타원 은하의 탄생지를 발견했으며, 이것이 은하가 어떻게 만들어졌는지에 대한 새로운 단서를 제공한다고 밝혔다. 고대 은하의 생성은 평평한 원반과 같은 우리 은하수에 비해 부풀어 오른 축구공처럼 보이며, 이는 천체물리학자들에게 여전히 미스터리로 남아 있다. 그런데, 전 세계 전문가들과 협력하는 영국 사우샘프턴 대학교의 천체 연구팀이 새로운 연구를 통해 이 수수께끼가 마침내 풀릴 수 있을 것이라고 밝혔다. 연구팀원인 사우샘프턴 대학교의 안나그라지아 풀리시 박사는 초기의 우주에서 차가운 가스의 대량 흐름과 은하 간의 충돌이 이러한 거대한 시스템을 만들었을 가능성이 있다고 말했다. 풀리시는 "두 개의 원반형 은하가 충돌하면서 별이 형성되는 연료인 가스가 중심부로 가라앉았고, 수조 개의 새로운 별이 생성되었다. 이러한 우주의 충돌은 약 80억~120억 년 전에 일어났는데, 당시 우주는 훨씬 더 활발한 진화 단계에 있었다"고 설명했다. 그녀는 "연구팀의 발견은 천문학에서 오랫동안 미스터리로 남아 있던 문제를 해결하는 데 한 걸음 더 다가가게 했다. 이는 초기 우주에서 은하가 어떻게 만들어졌는지에 대한 우리의 이해를 재정의할 것"이라고 덧붙였다. 네이처에 게재된 이 연구는 사우샘프턴 대학교, 중국 퍼플마운틴 천문대, 중국과학원 등이 협력해 수행했다. 연구팀은 칠레 아타카마 사막에 있는 세계 최대의 전파 망원경 ALMA를 사용해 먼 우주에서 별을 형성하는 100개 이상의 은하를 분석했다. 퍼플마운틴 천문대의 연구 책임자인 칭화 탄 박사는 팀이 멀리 떨어진 매우 밝은 은하에서 방출되는 빛의 분포를 살펴보는 새로운 기술을 사용해 이를 발견하게 됐다고 말했다. 그녀는 "이것은 멀리 떨어진 은하의 핵에 위치한 강렬한 별 형성 에피소드를 통해 구형 은하체가 직접 형성된다는 최초의 실제 증거다. 천체물리학자들은 수십 년 동안 이 과정을 이해하려고 노력해 왔다"고 부연했다. 그녀는 또 "이 은하들은 빠르게 형성된다. 가스가 블랙홀에 공급되도록 내부로 빨려 들어가 별의 폭발을 촉발시키는데, 별들은 우리 은하보다 10~100배 빠른 속도로 생성된다"고 설명했다. 연구진은 오픈소스 아카이브 프로젝트를 사용해 많은 먼 은하에 대한 고품질 관측 데이터를 수집했다. 연구팀은 JWST 및 유클리드(Euclid) 위성에 탑재된 망원경과 중국 우주정거장에서 수집한 데이터 및 연구 결과를 통합해 은하의 별 구성을 매핑할 것이라고 밝혔다. 풀리시 박사는 "이 연구는 초기 은하 형성에 대한 보다 완전한 그림을 제공하고, 우주가 태초부터 어떻게 진화해 왔는지에 대한 이해를 심화시킬 것"이라고 덧붙였다.
- IT/바이오
2024-12-09 09:02:00
[퓨처 Eyes(61)] 10억 년 전 고대 유전자, 생쥐 탄생 혁명 주도

10억 년 전 지구를 지배했던 단세포 생물의 고대 유전자가 오늘날 생쥐 탄생을 가능하게 했다. 과학계를 놀라게 한 이번 연구는 줄기세포와 진화의 관계를 새롭게 조명하며 재생의학의 미래를 열 획기적인 발견으로 평가받고 있다. 홍콩 대학교와 독일 막스 플랑크 육상 미생물학 연구소의 공동 연구진은 단세포 생물에서 유래한 유전자를 생쥐 세포에 도입해 줄기세포를 생성했으며, 이를 통해 살아있는 생쥐를 탄생시키는 데 성공했다고 사이언스 얼럿(Science Alert)과 IFL사이언스 등 다수 외신이 전했다. 연구팀은 편모조류에서 발견되는 유전자를 쥐의 유전자와 교환함으로써 두 편모조류가 기능적으로 얼마나 유사한지 확인할 수 있었다. 홍콩 대학의 야 가오 박사와 데이지린 세나 탄, 독일 막스 플랑크 육상 미생물학 연구소의 마티아스 기르빅 박사가 이끄는 연구팀은 복제된 쥐의 줄기세포를 배양하고 게놈을 재프로그래밍하여 포유류의 Sox2 유전자를 동물과 가까운 단세포 생물인 동정편모충류[choanoflagellate, 후생동물의 가장 가까운 친척으로 여겨지는 생물로, 긴 편모(flagellum)를 가지고 있으며, 이 편모 주변을 둘러싼 깃(collar) 모양의 구조를 가지고 있는 게 특징] Sox 유전자로 대체해, 연구를 진행했다. 이 세포를 배아 쥐(마우스) 배반포에 주입한 다음, 임신한 쥐 대리모에 이식하는 임신, 출산, 양육 환경에서 배양했다. 영국 퀸 메리 대학의 유전학자 알렉스 드 멘도사는 사이언스얼럿에 "단세포 친척인 쥐에서 얻은 분자 도구를 사용해 성공적으로 쥐를 만들어냄으로써 우리는 거의 10억 년 전의 진화 과정에서 놀라운 기능의 연속성을 목격하고 있다"고 말했다. 멘도사는 "이 연구는 줄기세포 형성에 관여하는 핵심 유전자가 줄기세포 자체보다 훨씬 일찍 생겨났을 수 있음을 시사하는데, 아마도 우리가 보는 다세포 생명체의 길을 닦는 데 도움이 되었을 것"이라고 설명했다. 고대 유전자가 오늘날 동물 발달에 핵심적인 역할을 한다는 점을 실증한 이번 연구는 줄기세포의 기원과 재활용 메커니즘에 대한 새로운 통찰력을 제공한다. 고대 유전자, 다세포 생물 진화의 토대가 되다 약 10억 년 전, 지구에는 동물이나 식물 같은 다세포 생물이 존재하지 않았다. 당시 지구를 지배하던 단세포 생물 가운데 동정편모충류(choanoflagellates)는 오늘날 동물의 가장 가까운 친척으로 여겨진다. 동정편모충은 현미경으로 관찰할 정도로 작은 단세포 생물이지만, 이들의 유전체에는 포유류 줄기세포 형성을 돕는 것으로 알려진 Sox와 POU라는 유전자의 초기 버전이 포함되어 있다. 기존에는 줄기세포가 다세포 생물에서만 진화했을 것이라 여겨졌지만, 이번 연구는 단세포 생물에도 줄기세포 형성에 중요한 유전자가 존재했음을 보여준다. 연구진은 이 유전자들이 다세포 생물로 진화하는 과정에서 재활용되고 확장되었을 가능성을 제시하며, 고대 유전자의 가치를 새롭게 조명하고 있다. 생쥐 탄생의 비밀, 동정편모충류 유전자 연구진은 동정편모충류의 Sox 유전자를 생쥐 세포에 도입해 생쥐의 Sox2 유전자를 대체했다. Sox2는 포유류 줄기세포의 다능성(모든 세포로 분화할 수 있는 능력)을 유지하는 데 중요한 유전자다. 놀랍게도 동정편모충의 Sox 유전자 역시 생쥐 세포에서 동일한 기능을 수행할 수 있었다. 동물은 '다능성'이라고 알려진 특징을 가지고 있다. 다능성은 배아 줄기세포가 분화하여 완전히 발달된 유기체를 구성하는 다양한 조직으로 발달할 수 있는 능력을 말한다. 동물에 인접한 미생물에 대한 이전 연구에 따르면 다능성의 기원은 다세포성보다 앞선 것으로 나타났다. 이것이 사실이라면, 이는 동물의 진화 결과가 아니라 동물 진화의 원동력 중 하나일 수 있다. 생쥐 세포는 동정편모충 유전자의 도움으로 유도만능줄기세포(iPSC) 상태로 전환되었으며, 이를 발달 중인 생쥐 배아에 주입한 결과 키메라 생쥐(마우스)가 탄생했다. 키메라 생쥐는 서로 다른 유전자를 가진 두 세포 집단이 공존하는 동물로, 이번 실험에서는 줄기세포의 영향을 받아 맨 위의 사진에서 보이는 것처럼 검은 털 반점과 어두운 눈 등의 특징을 가진 생쥐가 만들어졌다. 이 발견은 단세포 생물의 간단한 유전자가 다세포 생물의 복잡한 발달에 얼마나 중요한 역할을 할 수 있는지 명확히 보여준다. 고대 유전자, 재생의학의 미래를 열다 줄기세포는 손상된 조직을 복원하거나 질병 치료에 사용될 수 있는 '만능 세포'로, 재생의학의 핵심이다. 일본의 야마나카 신야(山中伸弥) 박사가 2012년 노벨 생리학·의학상을 수상한 연구를 통해, 일반 세포를 줄기세포로 변환하는 기술이 세상에 알려졌다. 그는 Sox와 POU 유전자를 포함한 4가지 인자를 활용해 줄기세포를 유도했다. 이번 연구는 야마나카 박사의 연구를 기반으로 더 나아가, 고대 단세포 생물의 유전자를 활용해 줄기세포를 생성했다. 이는 줄기세포 형성 메커니즘이 생명 진화 초기 단계부터 존재했음을 강력히 뒷받침한다. 진화에서 재활용된 유전자, 재생의학의 열쇠 연구진은 동정편모충 유전자들이 초기 생명체의 기본적인 세포 기능을 조절하는 역할을 했으며, 이후 다세포 생물이 출현하면서 더 복잡한 기능으로 진화했을 가능성을 제시한다. 이를 "10억 년에 걸친 기능적 연속성"이라 설명하며, 진화생물학과 재생의학이 맞닿은 접점임을 강조한다. 홍콩대 랄프 야우흐(Ralf Jauch) 박사는 "고대 유전자 연구는 다능성 메커니즘을 더욱 정밀하게 조정하고 최적화할 방법을 제시할 것"이라며, 동정편모충 유전자의 합성 버전을 개발해 기존 유전자보다 효율적으로 작동할 가능성도 시사했다. 이번 연구는 고대 단세포 생물이 현대 생명공학에 얼마나 큰 영감을 줄 수 있는지 보여준다. 단세포 생물의 유전자가 다세포 생물의 기원과 발전에 중요한 역할을 했다는 사실은 줄기세포 연구와 재생의학의 새로운 가능성을 열고 있다. 줄기세포와 진화라는 두 축이 만들어갈 생명과학의 미래가 더욱 기대된다. 한편, 이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 게재됐다.
- 포커스온
2024-12-05 15:32:00
[기후의 역습(96)] "얼음 없는 북극해가 온다", 카운트다운

북극의 해빙이 거의 모두 녹는 여름이 2027년에 발생할 수 있으며, 이렇게 되면 기록상 첫 번째가 될 것이라고 PHYS가 전했다. 이는 지구에 불길한 전조다. 미국 콜로라도 볼더 대학교의 기후학자 알렉산드라 얀과 스웨덴 예테보리 대학교의 셀린 호이제 등 국제 연구팀은 컴퓨터 모델을 적용해 지구의 최북단 바다에서 '처음으로 얼음이 없는 날'이 언제 발생할 수 있을지 예측했다. 얼음이 없는 북극은 날씨 패턴을 변화시켜 생태계와 지구 기후에 큰 영향을 미칠 수 있다. 얀 박사는 "북극에 얼음이 없는 날이 온다고 해서 상황이 극적으로 바뀌지는 않을 것"이라면서도 "그러나 온실가스 배출로 인해 북극해의 특성 중 하나인 해빙과 연중 눈으로 덮여 있는 자연환경이 근본적으로 바뀌었다는 점을 보여줄 것"이라고 말했다. 연구팀의 결과는 이달 초 네이처커뮤니케이션즈 저널에 게재됐다. 얀 박사는 오는 9일 워싱턴 D.C.에서 열리는 미국지구물리학회 연례회의에서 이를 발표할 예정이다. 지구 온난화로 '푸른 북극' 온실가스 배출 증가로 기후가 따뜻해지면서, 북극의 해빙은 10년마다 12% 이상이라는 전례 없는 속도로 사라지고 있다. 지난 9월, 미국 국립빙설데이터센터는 올해 북극 해빙 최소치(북극에서 동결된 바닷물의 양이 가장 적은 날)가 1978년 이후 가장 낮은 수준 중 한 해라고 보고했다. 올해 최소치는 428만㎢로 2012년 9월에 관측된 역대 최저치를 약간 웃돌았다. 그러나 1979~1992년 사이의 평균 최소 면적인 685만㎢에 비하면 여전히 뚜렷한 감소를 나타내고 있다. 과학자들은 북극해의 얼음 면적이 100만㎢ 미만일 때 북극에 얼음이 없다고 말한다. 북극 해빙 변화에 대한 이전의 예측은 바다가 한 달 동안 얼음이 없는 상태가 되는 시점을 예측하는 데 초점을 맞췄다. 얀 박사의 종전 연구에 따르면 얼음 없는 달은 거의 필연적으로 발생할 것이며, 그 시기는 2030년대가 될 것임을 시사했다. 기후 변화에서의 티핑 포인트(임계점)가 다가오면서 얀 박사는 북극의 해빙이 녹는 속도에 관심을 가졌다. 특히 첫 번째 얼음 없는 달의 발생 가능성을 예측하고, 북극해의 모든 해빙을 녹일 수 있는 사건이 무엇인지에 대해서도 파악하고자 연구팀을 구성해 분석에 나섰다. 해빙이 완전히 사라질 가능성 얀과 호이제 박사는 300개 이상의 컴퓨터 시뮬레이션에서 얻은 결과를 사용해 북극에서 처음으로 얼음이 없는 날이 언제가 될 것인지를 예측/추정했다. 대부분의 모델은 인간이 온실가스 배출량을 어떻게 변경하든 관계없이 첫 번째 얼음 없는 날이 2023년 이후 9~20년 사이에 발생할 수 있다고 예측했음을 발견했다. 가장 빠른 예측은 3년 안에 발생할 수 있다는 것이었다. 극단적인 시나리오이지만, 모델은 가능성이 있음을 시사하고 있다. 총 9개의 시뮬레이션에서 얼음 없는 날이 3~6년 안에 발생할 수 있다고 추정했다. 연구진은 일련의 극심한 기상 현상이 단시간에 200만㎢ 이상의 해빙을 녹일 수 있다는 것을 발견했다. 비정상적으로 따뜻한 가을이 먼저 해빙을 약화시키고, 그 다음에는 따뜻한 북극의 겨울과 봄이 이어지면서 해빙이 형성되지 않는다. 북극이 3년 이상 연속으로 극심한 온난화를 겪으면 첫 번째 얼음이 없는 날은 늦여름에 발생할 수 있다. 그런 따뜻한 해는 이미 일어났다. 예를 들어, 2022년 3월에 북극 지역은 평균보다 화씨 50도(섭씨 10℃) 더 따뜻했고, 북극 주변 지역은 거의 녹고 있었다. 호이제 박사에 따르면 기후 변화로 인해 이러한 기상 현상의 빈도와 강도는 증가한다. 해빙은 지구로 들어오는 햇빛을 우주로 반사해 북극이 온난화되는 것을 방지한다. 얼음이 녹아 반사율이 낮아지면 어두운 바닷물이 태양으로부터 더 많은 열을 흡수함으로써 북극과 전 세계의 기온을 더 끌어올린다. 또한 북극의 온난화는 바람과 해류 패턴을 변화시켜 전 세계적으로 더 극심한 기상 현상을 초래할 수 있다. 하지만 좋은 소식도 있다. 연구에 따르면, 탄소 배출량을 크게 줄일 경우 얼음 없는 북극의 타임라인을 크게 늦출 것이다. 얀 박사는 "배출량을 줄이면 해빙을 보존하는 데 큰 도움이 될 것"이라고 강조했다.
- ESGC
2024-12-05 14:28:00
[우주의 속삭임(83)] 금성, 생명체 존재했던 '푸른 행성'이었을까? 연구 결과는 '회의적'

지구와 쌍둥이처럼 흡사한 금성에 과연 생명체가 존재하고 있었을까. 최근 과학계에서는 금성이 과거 생명체가 있었을 가능성에 대한 논쟁이 뜨겁다. 금성은 태양계의 두 번째 행성이지만 금속 눈, 이산화탄소 대기, 수많은 화산과 산성비가 내려 지구의 '사악한 쌍둥이'로 불리고 있다. 지구와 질량 및 태양과의 거리가 비슷한 금성은 현재 납도 녹일만큼 뜨거운 표면 온도(섭씨 약 500도)와 황산 구름으로 뒤덮인 '지옥의 행성'이다. 하지만 고대에는 지구와 훨씬 유사한 환경이었을 것이라는 추측이 지배적이었다. 새로운 연구 "금성은 탄생부터 뜨거웠다" 최근 영국 케임브리지 대학교 연구팀은 금성의 대기 화학 조성을 분석한 결과, 금성 표면에 물로 이루어진 바다가 존재했을 가능성이 낮다는 연구 결과를 발표했다고 스페이스 닷컴이 2일(현지시간) 보도했다. 이는 '금성은 탄생부터 뜨거웠다'는 가설에 힘을 실어주고 있다. 연구팀은 금성 대기 중 물, 이산화탄소, 카르보닐황화물의 파괴 속도와 화산 활동을 통한 보충 속도를 분석했다. 화산 활동은 행성 내부 물질을 표면으로 운반하고 가스 형태로 방출하기 때문에 행성 내부 상태를 파악하는 중요한 지표가 된다. 지구의 화산 폭발은 물이 풍부한 내부 구조 때문에 대부분 수증기로 이루어져 있다. 반면, 금성의 화산 가스에서 수증기가 6%에 불과하다는 사실을 연구팀은 발견했다. 이는 금성 내부가 매우 건조하며, 표면에 바다를 형성할만큼 충분한 물을 가지고 있지 않았음을 시사한다. 금성은 극도로 두꺼운 대기를 가지고 있으며, 이산화탄소가 풍부한 대기에 의해서 온실효과가 발생해 금성 표면의 온도를 섭씨 약 460도까지 높인다. 이산화탄소에 의한 온실효과가 없다고 가정한다면 금성의 온도는 현재 지구의 표면 온도와 비슷하게 된다. "금성, 지구와 다른 진화 과정을 거친 행성" 이번 연구를 이끈 테레자 콘스탄티누 케임브리지 대학 천문학 연구소 박사 과정 연구원은 "금성은 태양계 외행성 연구에 중요한 의미를 지닌다"며 "생명체 거주 가능 구역의 경계에서 지구와 매우 다른 진화 과정을 거친 행성을 탐구할 수 있는 기회를 제공하기 때문"이라고 설명했다. 2029년 발사 예정인 미 항공우주국(나사·NASA)의 다빈치(DAVINCI) 미션은 금성 대기 탐사를 통해 이러한 의문에 답을 제시할 것으로 기대된다. 다빈치 탐사선은 금성 대기를 통과하며 중요한 데이터를 수집하고, 착륙 과정에서 7초간 금성 표면을 관측할 수 있을 것으로 예상된다. "생명체 존재 가능성 낮지만, 외계 행성 연구에 중요한 단서 제공" 콘스탄티누 연구원은 "과거 금성에 생명체가 살 수 있었다면, 이미 발견된 외계 행성들에도 생명체가 존재할 가능성이 높아진다"면서도 "하지만 이번 연구 결과는 금성과 유사한 외계 행성들이 생명체 거주 가능성이 낮음을 시사한다"고 밝혔다. 연구팀은 금성이 과거 지구와 유사한 환경이었기를 바랐지만, 이번 연구 결과는 그렇지 않았음을 보여준다. 이에 연구원은 "실망스럽지만, 최소한 우리가 아는 생명체가 존재할 가능성이 높은 행성에 탐사를 집중하는 것이 더욱 효율적"이라고 강조했다. 이번 연구 결과는 천문학 및 천체물리학 분야의 온라인 국제전문학술지 '네이처 천문학(Nature Astronomy)'에 게재됐다. 금성은 왜 지구의 '사악한 쌍둥이' 행성일까? 금성은 지구와 질량과 크기, 구성 성분 등이 비슷한 행성이다. 그로 인해 종종 금성은 '지구의 사악한 쌍둥이'라는 별명으로 불리고 있다. '사악한 쌍둥이'는 비록 쌍둥이로 태어났지만 살면서 서로 다른 길을 걸어 결국에는 다른 운명을 맞이한 사람을 부를 때 쓰는 용어다. 그렇다면 행성인 금성을 지구의 사악한 쌍둥이라고 부르는 이유는 무엇 때문일까. 금성과 지구는 태양계 행성 중에서 마치 쌍둥이처럼 크기와 질량이 가장 비슷하다. 금성의 지름은 지구의 약 95%이고, 질량은 81%정도다. 밀도도 비슷해서 중력도 거의 같다. 그로 인해 초기 태양계 형성 당시 지구와 금성은 비슷한 구성성분으로 이루어져 있었을 것으로 추정된다. 암석형 행성이라는 공통점도 있다. 이와 같이 쌍둥이처럼 닮은 점도 있지만, 금성과 지구의 환경은 극명하게 다르다. 지구는 생명체가 번성하는 푸른 행성이지만, 금성은 표면 온도가 464℃에 달하고 대기압이 지구의 92배에 달하는 고온 고압의 환경이다. 게다가 금성의 대기는 이산화탄소로 가득차 있고 황산 구름이 뒤덮고 있어 생명체가 살 수 없는 마치 '지옥'과 같은 환경이다. 이처럼 금성은 지구와 쌍둥이처럼 닮았지만 전혀 다른 운명을 맞이한 '사악한 쌍둥이'와 같은 양상을 보이고 있다. 즉, 금성은 지구와 전혀 다른 극단적인 환경으로 인해 생명체가 살 수 없어서 '사악한 행성'이 된 것이다.
- IT/바이오
2024-12-03 15:23:00
[기후의 역습(93)] AI, 역사적 기후 극단 현상 발견

인공지능(AI)으로 지구의 극한 기온을 분석한 연구 결과가 나왔다. 전 세계에는 3만 개가 넘는 기상 관측소가 있다. 관측소는 매일 기온, 강수량 및 기타 기상 관련 지표를 측정한다. 이 자료는 기상학자들이 월별 및 연간 기후 정보를 생성하기 위해 분석해야 할 엄청난 양의 데이터이다. 기상학자들이 최근 기상 데이터 세트에 AI 기술을 적용해 유럽의 극한 기온을 분석했다. 이를 기존의 분석과 비교한 결과 일치도가 탁월한 것으로 나타났다. 나아가 AI 분석은 과거에 알려지지 않은 기후 극한 현상도 추가로 발견했다고 PHYS가 전했다. 기상학자들의 이번 연구는 네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다. 기후 변화로 인해 일부 지역에서는 비가 더 많이 내리거나 더위의 극한도 증가하고 있다. 현재 전 세계 육지 면적의 30% 이상이 매년 2-시그마 통계 수준을 넘는 월별 기온을 기록하고 있으며, 이는 1950년의 약 1%에서 대폭 증가한 수치다. 기온을 분석하는 데 있어 중요한 문제는 일부 기상 관측소의 데이터가 부족하다는 것이다. 유인 기상 관측소는 손상되거나, 관측자가 바뀌거나 교체되지 않는 등 연속성이 떨어진다. 관측 기술은 이전 계측과 상관관계가 있어야 하는데, 예컨대 아프리카와 극지방 등의 지역은 충분한 정보를 제공하지 않는다. 함부르크 소재 독일 기후 컴퓨팅 센터의 연구팀은 극한 기온이 AI의 신경망 기술을 적용하기에 적합한 영역이라고 판단했다. 연구팀은 전 세계 다른 곳보다 더 오래 전부터 기상 관측소가 밀집된 유럽에 초점을 맞췄다. 연구진은 AI를 사용해 유럽의 기후 극한 상황에 대한 기상 관측치를 재구성했다. 유럽의 기온 관측소는 밀도가 높기 때문에 기존의 통계적 방법은 효과적일 수 있다. 한 관측소에 온도계가 없어도 인근의 관측소를 통해 예측할 수 있기 때문이다. 관심 지점에서 인근 관측소까지의 거리와 함께 측정된 값을 사용해 관심 위치의 온도를 예측하는 방법이며, 계산에서 거리나 각도에 가중치를 부여해 산정한다. 그러나 근처 관측소의 데이터가 부족하거나 누락되면 성능이 떨어진다는 문제가 있다. 연구팀이 적용한 AI 방법론은 지난 몇 년 동안 누락된 기후 정보를 적정 가중치를 적용해 재구성하고 불확실성을 정량화해 빈 데이터 공간을 채우는 것이었다. 그 결과 기존의 통계 방법에 의한 채우기보다 성능이 우수한 것으로 나타났다. 연구팀이 사용한 AI 모델은 CMIP6 아카이브(결합 모델 상호 비교 프로젝트: 과거 기후, 현재 기후 및 미래 기후를 계산하는 대기와 해양을 결합한 기후 모델의 글로벌 협업)의 지구 시스템 모델을 사용, 과거 시뮬레이션을 통해 훈련을 받고 비교했다. 연구팀은 CRAI(기후 재구성 AI)라고 부르는 딥러닝 기술이 따뜻한 날(일일 최고 기온이 90번째 백분위수보다 높은 날의 비율), 시원한 날(일일 최고 기온이 10번째 백분위수보다 낮은 날의 비율)을 계산하는 데 여러 기존의 방법보다 성능이 뛰어나다는 것을 발견했다. 따뜻한 밤과 시원한 밤에 대해서도 마찬가지였다. 연구진은 또 이를 유럽 도메인의 HadEX3 데이터 세트에 있는 모든 필드를 재구성하는 데 적용했다. HadEX3는 1901~2018년까지 격자로 구분한 지구 표면의 극한 기온과 강수량에 대한 80개 이상의 지수로 구성되어 있다. 여기에서도 AI 기술은 과거의 극단적인 기상을 재구성하고, 소위 '재분석 데이터 세트'에서 다루지 않은 시간 간격에 걸친 공간적 추세를 드러내는 능력을 보여주었다. 기후 재분석은 기후 모델과 사용 가능한 관측치를 함께 활용해 관측 데이터베이스의 격차를 메워주었다. CRAI는 1929년의 한파와 1911년의 폭염 등 이전에는 알려지지 않았던 유럽의 극단적인 기상 상황도 밝혀냈다. 연구팀은 "우리의 연구는 이 접근법을 글로벌 규모 또는 데이터가 부족한 지역에 적용해야 할 필요성과 장점을 모두 보여준다"라며 "실제로 우리의 AI 기반 재구성은 특히 데이터 부족이 심한 지역에서 기존 통계적 방법보다 더 높은 정확도를 보여주었다"라고 셜명했다. 연구팀은 이러한 CRAI 모델을 학습하면 더 많은 양의 정보를 활용할 때 정확도가 향상될 것이라고 덧붙였다.
- 포커스온
2024-12-02 13:29:00
[기후의 역습(92)] 지구 온난화로 전 지구적 해양 순환 시스템 붕괴

전 세계의 해양 순환, 즉 해류는 해양 생태계는 물론 지구 환경의 지속가능성에 막대한 영향을 미친다. 작게는 해안가에도 해류가 있을 수 있으며, 지구 전체로 끊임없이 물을 이동시키는 거대한 해류 네트워크, 즉 대규모 '글로벌 해양 컨베이어 벨트'도 있다. 이 거대한 해류 시스템은 전 세계적으로 열을 분배하여 기온에서 강수량에 이르기까지 지구의 모든 것에 영향을 미친다. 그런데 안타깝게도 이 해류 시스템이 속도가 느려지고 완전히 붕괴될 위기에 처해 있다고 어스닷컴이 전했다. 이는 네이처 지오사이언스에 발표됐는데, 연구에 따르면 이런 붕괴는 우리가 예상했던 것보다 더 큰 문제로 다가오고 있다. ◆ 해양 순환과 AMOC AMOC(대서양 해류 순환)는 대서양 주변에서 따뜻한 물과 차가운 물을 이동시키는 거대한 해양 컨베이어 벨트다. 멕시코만에서 시작하여 따뜻하고 짠물이 미국 동부 해안을 따라 북쪽으로 흐르고 대서양을 건너 유럽으로 향한다. 따뜻한 물은 북대서양에 도달하면 차가워지고 밀도가 높아지며, 따라서 바다 깊숙이 가라앉는다. 이 가라앉는 과정은 더 많은 따뜻한 물을 북쪽으로 끌어당겨 대체하고, 지구 전체에 열을 분산시켜 기후를 조절하는 데 결정적 역할을 하는 연속적인 루프(고리)를 만든다. ◆ AMOC가 인간에게 미치는 영향 인간은 몇 가지 중요한 면에서 AMOC에 의존한다. AMOC 덕분에 서유럽은 온화한 겨울을 지낼 수 있다. AMOC는 특히 지구 온도를 조절함으로써 농업, 생태계 및 일상생활에 필수적인 안정적인 기상 패턴을 유지하는 데 큰 도움을 준다. 그런 AMOC가 지난 1000년 이래 그 어느 때보다 약해졌다고 이번 연구는 지적하고 있다. 연구진은 이 둔화의 주된 원인이 지구 온난화라고 설명한다. 연구팀의 새로운 모델링은 그린란드 빙상과 캐나다 빙하에서 녹은 물이 퍼즐의 빠진 조각일 수 있음을 시사한다. ◆ 해양 순환에 관심을 가져야 하는 이유 연구팀은 "연구 결과에 따르면 지구 온난화가 섭씨 2도 진행되면 대서양의 해류 흐름이 70년 전에 비해 3분의 1 정도 약화될 가능성이 높다"고 말했다. 또 "이는 남반구의 더 빠른 온난화, 유럽의 더 혹독한 겨울, 북반구의 열대성 몬순의 약화를 포함해 기후와 생태계에 큰 변화를 가져올 것이다"라고 우려했다. 해류가 약해지면 유럽의 겨울이 더 추워지고 강우 패턴이 바뀌어 수백만 명에게 큰 영향을 미치게 된다. 그것은 비단 바다에만 국한된 문제가 아니다. 사람의 일상생활에 대한 심각한 위협이다. ◆ 녹은 물과 해양 순환 산업혁명 이후 지구는 이미 섭씨 1.5도 뜨거워졌고, 북극은 지구의 다른 지역보다 거의 4배 더 빨리 뜨거워지고 있다. 그 모든 열은 북극의 해빙, 빙하, 그린란드 빙상을 녹이고 있다. 연구팀은 "2002년 이후로 그린란드는 5조 9000억 톤의 얼음을 잃었다. 녹은 얼음은 텍사스주 전체를 26피트 두께의 얼음으로 뒤덮을 수 있는 양"이라고 추정했다. 아북극해로 흘러드는 이 신선한 녹은 물은 염분이 많은 바닷물보다 가벼워서 가라앉는 정도가 그리 크지 않다. 이로 인해 대서양에서 깊고 차가운 바닷물이 남쪽으로 흐르는 것을 방해하고 걸프 스트림(맥시코 만류)을 약화시킨다. 걸프 스트림은 영국에 온화한 겨울을 가져다주는 해류이다. ◆ 전 세계적으로 파급 효과 그렇다면 걸프 스트림이 느려지는 것이 무슨 큰 문제일까. 우선, 유럽은 더 혹독한 겨울을 맞이할 수 있다. 영국과 같은 지역은 캐나다 일부 지역처럼 같은 위도에 있는 추운 지역과 더 비슷해질 수 있다. 연구진은 "새로운 연구에 따르면 그린란드 빙상과 캐나다의 북극 빙하에서 녹은 물이 기후 퍼즐의 빠진 조각임을 보여준다"라고 설명했다. 그들이 이 빙하가 녹은 물을 시뮬레이션에 포함시켰을 때, 해양 순환이 느려지는 것이 이치에 맞았다. 연구는 AMOC가 20세기 중반 이래 느려지고 있음을 확인시켜 준다. 또 앞으로 무슨 일이 일어날지 엿볼 수 있게 해준다. ◆ 북대서양과 남대서양 순환 연구팀은 "새로운 연구는 북대서양과 남대서양이 이전에 생각했던 것보다 더 깊이 연결되어 있음을 보여준다"고 밝혔다. 해양의 한 부분에서 일어나는 변화는 먼 지역에 빠르게 영향을 미칠 수 있다. 해양 순환이 강하면 많은 열을 북대서양으로 전달한다. 그러나 순환이 약해지면 그린란드 남쪽의 해양 표면은 그만큼 따뜻해지지 않아 '온난화 구멍(워밍 홀)'이라고 하는 현상이 발생한다. 한편, 남대서양은 더 많은 열과 소금을 저장하게 된다. ◆ 시간은 우리 편이 아니다 연구진은 "우리의 시뮬레이션은 북대서양의 극지방에서 일어나는 변화는 20년도 채 안 되어 남대서양에서 느껴진다는 것을 보여준다"라고 말했다. 둔화의 영향이 우리가 생각했던 것보다 더 빨리 확산되고 있다는 의미다. 기후 예측에 따르면 AMOC는 2060년까지 약 30% 약화될 것으로 예상된다. 그런데 이는 추가로 녹는 물을 고려하지 않은 것이다. 연구는 "그린란드 빙상은 앞으로 1세기 동안 계속 녹아 지구 해수면이 약 4인치 상승할 가능성이 있다"라고 언급했다. "이 추가 융해수가 기후 예측에 포함된다면 AMOC는 더 빨리 약화될 것이다. 2040년까지 30% 정도 약화될 수 있다. 이는 처음 예측보다 20년 앞당겨진 것"이라는 설명이다. ◆ 무엇을 할 수 있을까 AMOC가 이렇게 빨리 약화하면 상황은 뒤바뀔 것이다. 유럽은 더 추운 겨울을 맞이할 수 있고, 북부 열대 지방은 더 건조해질 수 있으며, 미국 남부와 같은 지역은 더 따뜻하고 습한 여름을 겪을 수 있다. 연구진은 "지난 20년 동안 우리의 기후는 극적으로 변했다.빙상이 더 빨리 녹으면 기후 체계가 더욱 파괴될 것"이라고 경고했다. 그렇다면 이 모든 것이 인류에게 무슨 의미가 있을까. 이는 우리가 행동할 시간이 더욱 부족해진다는 것을 의미한다. 배출량을 줄이는 것은 필수적이다. 지구 시스템은 상호 연결되어 있다. 상황의 악화를 막고자 한다면 지금 당장 행동해야 한다고 연구진은 강조한다.
- 포커스온
2024-11-29 14:09:00
[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 11:28:00
[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 15:43:00
[우주의 속삭임(79)] "달 뒷면, 한때 화산 폭발"

미국과 중국 연구원들이 달 뒷면에서 한때 화산이 폭발했다는 증거를 발견했다. 중국 연구팀이 달 탐사선 창어 6호가 수집한 샘플을 분석한 결과 신비한 달 뒷면에서 42억년 이상된 현무암(화산 폭발 후 형성된 현무암) 조각이 발견됐다고 BBC가 전했다. 이번 연구 결과는 지난 11월 15일 학술지 네이처와 사이언스에 게재됐다. 과학자들은 지구에서 볼 수 있는 달의 앞면에서 화산 활동이 있었다는 사실은 이미 알고 있었다. 그러나 달 뒷면은 앞면과 지질학적으로 매우 다르며, 대부분의 지역이 여전히 인간의 손이 닿지 못한 미탐사 지역으로 남아 있다. 중국 달 탐사선 창어 6호는 지난 6월부터 약 2개월간의 임무 끝에 달 뒷면에서 처음으로 토양 샘플을 회수하는 데 성공했다. 중국 과학아카데미의 전문가가 이끄는 연구진은 방사성 연대 측정법을 사용해 화산암의 연대를 확인했다. 분석 결과 약 28억3000만년 전에 '놀랍도록 젊은 분화'가 일어났다는 것을 밝혀냈다. 이는 달 앞면에서는 발견되지 않은 것이다. 지질학 및 지구물리학 연구소의 치우리 리교수는 상세한 동료 검토에서 "이것은 매우 흥미로운 연구"라고 적었다. 그는 "창어 6호 샘플에서 나온 최초의 지구 연대 연구이며, 달과 행성 과학계에 매우 중요한 연구 결과가 될 것"이라고 덧붙였다. 달의 뒷면은 '어두운 부분'으로 알려져 있지만, 지구에 있는 우리가 못 볼뿐 실제로는 햇빛을 많이 받는다. 이는 달이 지구와 수평으로 고정되어 있고, 지구 공전 시간이 약 27일로 항상 달의 같은 면이 지구를 향하고 있기 때문이다. 달 뒷면은 지구에서 볼 수 없기 때문에 오랫동안 미지의 영역이었다. 하지만 1959년 러시아(구 소련)의 루나 3호가 처음으로 달의 뒷면을 찍어 지구로 전송하면서 그 비밀이 밝혀지기 시작했다. 이후 중국의 달 탐사선 창어 4호가 2019년 1월 3일 인류 최초로 달 뒷면에 착륙해 탐사를 진행했다. 착륙 지점은 달 남극 에이트켄 분지 내에 있는 본 카르만 크레이터다. 달 뒷면의 샘플 회수 임무를 띤 창어 6호는 2024년 5월 3일 지구를 떠나 2024년 6월 1일 달 뒷면에 무사히 착륙했다. 참고로 달 앞면에는 미국, 소련, 중국, 인도, 일본 등이 착륙에 성공했다. 또한 달 남극에는 물이 있는 것으로 알려져 있다. 인도 달 탐사선 찬드라얀 3호는 2023년 7월 14일 발사돼 8월 23일 인류 최초로 달 남극에 착륙하는 데 성공했다. 이로써 인도는 미국, 러시아, 중국에 이어 네 번째로 달 착륙에 성공한 국가로 이름을 올렸다. 중국은 달에서 물을 찾고 영구 기지 건설 등을 조사하기 위해 2030년까지 세 번의 무인 임무를 더 계획하고 있다. 아울러 2030년까지 유인 우주선을 달에 보내는 것을 목표로 하고 있다. 미국도 아르테미스 3호 임무를 통해 2026년까지 우주비행사를 다시 달에 보낼 계획이다. 달 뒷면에는 헬륨-3이라는 희귀한 자원이 풍부하게 매장되어 있다고 알려져 있어 미래에는 달 뒷면에 기지를 건설하고 자원을 채굴할 수도 있을 것으로 전망돼 우주과학 선진국 간의 치열한 경쟁이 예상된다.
- IT/바이오
2024-11-18 17:40:00
[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 16:29:00
[퓨처 Eyes(58)] 인듐 셀레나이드, 초저에너지 시대 연다

스마트폰 배터리를 하루 종일 써도 용량이 남는 시대가 올까? 꿈만 같은 이야기가 현실로 다가오고 있다. 인도과학연구소(IISc), 미국 펜실베이니아대학교 공과대학, 매사추세츠공과대학(MIT)의 공동 연구팀이 쏘아 올린 '인듐 셀레나이드(In2Se3)'라는 혁신의 씨앗 덕분이다. 이 소재는 마법처럼 전기적 충격만으로도 기존 메모리보다 10억배나 작은 에너지로 데이터를 저장한다. 미래 메모리 저장 장치의 판도를 뒤흔들 게임 체인저가 등장한 것이다. 기존 메모리, 에너지 소비량 높아⋯인듐 셀레나이드는 '깃털'처럼 가볍다 지금까지 메모리 저장 장치의 주역은 위상변화 메모리(PCM)였다. CD, DVD, 블루레이 등에 널리 쓰이는 이 기술은 특정 물질을 800℃ 이상의 고온으로 녹였다가 급속 냉각하는 방식으로 데이터를 저장했다. 이 과정에서 막대한 전력을 소비하는 게 단점이다. "PCM이 널리 쓰이지 못하는 가장 큰 이유 중 하나는 높은 에너지 소비 때문이다" 펜실베이니아 공과대학의 재료 과학 및 공학(MSE) 분야의 스리니바사 라마누잔 석좌교수 리테시 아가왈의 말처럼 에너지 효율은 메모리 기술의 아킬레스 건이었다. 하지만 인듐 셀레나이드는 이러한 문제에 명쾌한 해답을 제시한다. 전기 충격만으로, 아주 작은 에너지로 데이터를 저장하는 혁신적인 기술이라 메모리 시장의 패러다임을 바꿀 잠재력이 있다. 전류 한 방에 '유리 상태'로 변신!⋯2D 층상 구조가 빚어낸 마법 연구팀은 인듐 셀레나이드 나노선에 전류를 흘려보내는 실험을 진행했다. 그런데 놀랍게도, 전류를 통과시키자 결정 구조가 순식간에 유리 상태로 변했다고 한다. 논문 제1저자인 펜실베이니아 공과대학의 전 박사과정 학생인 가우라브 모디는 "처음에는 소재가 손상된 줄 알았다"며 당시의 놀라움을 감추지 못했다. 일반적으로 아몰화(결정 구조가 무질서한 비결정질 상태로 변하는 현상)를 유도하려면 강력한 전기 펄스를 가해야 한다. 하지만 인듐 셀레나이드는 연속적인 전류만으로 유리 상태로 변한다. 신기하지 않은가? 이 현상의 비밀은 인듐 셀레나이드의 독특한 구조에 숨겨져 있다. 2D 층상 구조, 강유전체성, 압전성, 이 세 가지 요소가 절묘한 조화를 이루며 혁신을 가능하게 했다. 2D 층상 구조 덕분에 전류가 층 사이를 통과하면, 층들이 서로 미끄러지며 특정 쌍극자 모멘트를 가진 도메인을 형성한다. 이 도메인 사이의 결함이 충돌하면서 결정 구조가 붕괴되고, 마침내 유리 상태로 변한다. 아가왈 석좌교수는 IISc의 나노 과학 및 공학 센터(CeNSE)의 파반 누칼라(Pavan NuKALA) 조교수와 박사과정 학생인 숩함 파라테(Shubham Parate)와 협력해 전자 현미경으로 이 과정을 원자 단위에서 마이크로미터 길이까지 면밀히 추적했다. '도메인 경계 충돌'로 에너지 절감⋯스마트 기기 배터리 혁명 이끈다 연구팀은 연속 전류가 재료의 2D 층과 평행하게 흐르면 층이 서로 다른 방향으로 미끄러진다는 것을 발견했다. 파반 누칼라 교수는 이 과정을 도메인 경계가 전기장에 의해 움직이며 서로 충돌하는 현상으로 설명했다. 이는 연쇄 반응을 일으켜 결국 전체 물질을 유리 상태로 바꿔 놓는다. 놀랍게도 이 과정에서 소비되는 에너지는 극히 적다. 연구팀의 파라테 박사과정 학생은 "전자 현미경으로 다양한 길이 척도에서 이 모든 요소들이 함께 살아나 작용하는 놀라운 현상을 관찰했다"고 말했다. 이 기술은 스마트폰, 컴퓨터 등 다양한 전자 기기에 적용되어 에너지 효율을 극대화할 수 있다. 저전력 메모리 기술은 기기 사용 시간을 획기적으로 늘리고 전력 소모를 줄여, 배터리 걱정 없는 세상을 열어줄 것으로 기대된다. 인듐 셀레나이드, 미래를 향한 '퀀텀 점프'⋯에너지 절감, 그 이상의 가치를 향해 인듐 셀레나이드의 저에너지 아몰화 기술은 에너지 절감에 크게 기여할 것으로 기대된다. 데이터 저장 효율을 극대화하여 스마트 기기 사용 경험을 혁신적으로 개선할 것이다. 인듐 셀레나이드가 이끌어갈 미래는 더욱 빠르고, 가볍고, 오래가는 스마트 기기로 가득할 것으로 기대된다. 하지만 상용화까지는 몇 가지 과제가 남아 있다. 예를 들어 아몰화된 인듐 셀레나이드의 안정성을 높이고, 데이터 저장 용량을 늘리는 연구가 필요하다. 또한 기존의 메모리 생산 공정에 적용할 수 있는 기술 개발도 중요하다. 연구팀은 이러한 과제들을 해결하기 위해 후속 연구를 진행하고 있으며, 인듐 셀레나이드 기반 메모리 기술이 가까운 미래에 상용화될 수 있을 것으로 전망했다. 이 혁신의 물결은 이제 막 시작됐다. 이번 논문은 지난 11월 6일 학술지 네이처에 게재됐다.
- 포커스온
2024-11-14 13:03:00

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