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[기후의 역습(39)] 그린란드 빙상서 화석 발견…빙하 상실로 해수면 상승 위험 증가
- 그린란드 빙상은 과거에도 녹았었지만 기후가 따뜻해짐에 따라 앞으로는 더 빠른 속도로 녹을 것으로 보인다. 과학자들은 이로 인해 해수면이 6~7.6m까지 상승할 수 있다고 경고한다. 그런 가운데, 지난 110만 년 동안 한 때 따뜻한 시기에 그린란드의 거대 빙하 가장자리가 아닌 중심부가 녹아 내렸고, 다양한 곤충과 식물의 서식지였던 건조하고 척박했던 툰드라 지형이 바뀌었다는 새로운 연구 결과가 나와 주목된다고 CBS뉴스가 보도했다. 이 연구 결과는 미국 국립과학원 회보에 게재됐다. 빙하가 처음 녹기 시작했을 때 대기 중 온실 가스 농도는 오늘날보다 낮았다. 과학자들은 대기 중 이산화탄소가 더 많이 발생하면서 그린란드의 빙하가 이전에 생각했던 것보다 더 쉽게 녹을 것으로 우려하고 있다. 새로운 연구를 공동으로 수행한 버몬트 대학교의 폴 비어먼 박사팀은 "그린란드는 270만 년 동안 빙하가 존재해 왔지만, 이제 그 빙하가 취약해져 깨질 수 있다는 증거가 나왔다"고 밝혔다. 연구팀은 2014년부터 그린란드 빙상 아래에서 다양한 물질을 수집해 연구를 진행해 왔다. 그들은 거의 30년 전, 빙하의 중심부 표면 아래 3.2km 떨어진 곳에서 추출한 GISP2라고 불리는 빙핵 바닥의 퇴적물을 조사했다. 분석 결과 퇴적물 샘플에는 그린란드의 과거에 대한 정보와 단서들로 가득 차 있었다. 현미경으로 들여다 본 샘플의 작은 검은 반점에서는 곤충의 눈, 북극 양귀비 씨앗, 북극 버드나무 조각, 토양 곰팡이와 이끼의 작은 부분들이 발견됐다. 이들은 여러 화석들로, 비어먼은 이를 "얼음 아래에 얼어붙은 생물 생태계"라고 불렀다. 이 화석은 빙하의 90%가 한때 사라졌었다는 것을 직접적으로 확인해 준다고 한다. 비어먼은 "일단 빙상의 중심을 잃게 되면 모든 것을 잃게 되는데, 빙상의 중심에서 이 화석들을 발견한 것은 그린란드의 얼음이 과거에 사라졌었다는 명백한 증거"라고 말했다. 이 발견은 이른바 '취약한 그린란드'라는 가설을 뒷받침한다. 비어먼은 인간의 영향을 받지 않는 자연이 빙하가 형성된 이후 적어도 한 번은 녹은 적이 있다고 말했다. 65만6000평방마일의 그린란드 빙하는 현재 섬 전체의 약 80%를 덮고 있다. 이는 미국 텍사스주의 약 3배에 달하는 면적이다. 그린란드의 얼음 손실을 지도로 만든 나사(NASA)는 이 빙하가 지난 몇 년 동안 빠르게 감소했으며, 이로 인해 지구 해수면이 연간 약 0.03인치(약 0.0762cm) 상승했다고 밝혔다. 비어먼에 따르면 그린란드의 녹는 얼음은 현재 해수면 상승의 첫번째 주요 원인이다. 비어먼은 그린란드 얼음 전체가 녹기까지는 수천 년이 걸릴 수 있지만, 그 결과는 매우 끔찍할 것이라고 경고했다. 수억 명의 사람들이 집과 사업을 잃을 수 있고, 유서 깊거나 아름다운 도시를 포함해 엄청난 면적의 땅이 사라질 수 있다는 것이다.
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- 포커스온
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[기후의 역습(39)] 그린란드 빙상서 화석 발견…빙하 상실로 해수면 상승 위험 증가
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[신소재 신기술(91)] 노스웨스턴대 연구팀, 연골 재생 신소재 개발 성공
- 연골을 성공적으로 재생하는 새로운 생리활성 소재가 개발됐다. 미국 노스웨스턴 대학교 연구팀은 손상된 무릎 연골을 재생하는 새로운 생체 활성 물질을 개발하고, 대형 동물 모델을 이용한 실험에서 성공적인 결과를 얻었다고 메디컬 익스프레스가 전했다. 위의 사진에 보이는 것처럼 연구팀이 개발한 물질은 젤리처럼 보이지만, 실제로는 연골의 자연 환경을 모방하는 복잡한 분자 구성 요소들로 이루어진 네트워크다. 나노섬유는 분홍색, 히알루론산은 보라색으로 표시되어 있다. 연구팀은 새로운 생체 재료 물질을 동물 모델인 양의 손상된 무릎 연골에 적용한 결과, 6개월 이내에 새로운 연골이 생성되는 것을 확인했다. 새로 생성된 연골은 통증 없는 기계적 탄력성을 가능하게 하는 천연 생체 고분자인 콜라겐 II와 프로테오글리칸을 포함하고 있었다. 팀은 이번 연구 결과가 앞으로 무릎 전치환술을 예방하고, 골관절염과 같은 퇴행성 질환이나 스포츠 관련 부상 치료에 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 해당 연구 결과는 미국 국립과학원회보(PNAS)에 게재됐다. 연골 재생 복구 유도 기대 연구를 이끈 노스웨스턴 대학교의 사무엘 스텁 교수는 "연골은 우리 관절의 중요한 구성 요소"라며 "연골이 손상되거나 시간이 지남에 따라 분해되면 사람들의 전반적인 건강과 이동성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 문제는 성인의 연골은 자연적으로 치유되는 능력이 없다는 것이다. 우리의 새로운 치료법은 자연적으로 재생되지 않는 조직의 복구를 유도할 수 있다"고 말했다. 이번 연구는 스텁 교수 연구팀이 최근 발표한 '춤추는 분자'를 사용해 인간 연골 세포를 활성화시키고 조직 매트릭스를 구축하는 단백질 생산을 촉진하는 연구 결과에 이어 진행됐다. 새로운 연구에서는 '춤추는 분자' 대신 스텁 교수 연구실에서 개발된 하이브리드 생체 재료를 사용했다. 이 새로운 생체 재료는 연골 성장 및 유지에 필수적인 단백질인 TGFb-1에 결합하는 생체 활성 펩타이드와 연골 및 관절의 윤활 활액에 존재하는 천연 다당류인 히알루론산으로 구성되어 있다. 스텁 교수 연구팀은 생체 활성 펩타이드와 화학적으로 변형된 히알루론산 입자를 통합하여 나노 섬유가 연골의 자연 구조를 모방하는 다발로 자가 조직화되도록 유도했다. 목표는 신체 자체 세포가 연골 조직을 재생할 수 있도록 매력적인 골격을 만드는 것이었다. 나노 섬유의 생체 활성 신호를 사용하여 이 물질은 비계를 채우는 세포에 의한 연골 복구를 촉진한다. 슬개골 결함 있는 양 실험 연구팀은 이 물질의 연골 성장 촉진 효과를 평가하기 위해 슬개골에 연골 결함이 있는 양을 대상으로 실험했다. 양의 슬개골은 인간의 무릎과 유사한 복잡한 관절이다. 스텁 교수에 따르면 양 모델 실험은 매우 중요하다. 양의 연골은 인간과 마찬가지로 완고하고 재생하기가 매우 어렵다. 양의 슬개골과 인간의 무릎은 또한 체중 부하, 크기 및 기계적 부하와 유사하다. 이 연구에서 연구진은 걸쭉한 페이스트 같은 물질을 연골의 결함 부위에 주입했고, 이 물질은 고무 같은 매트릭스로 변형됐다. 스캐폴드(Scaffold)가 분해되면서 결함 부위를 채우기 위해 새로운 연골이 자랐을 뿐만 아니라 복구된 조직은 대조군에 비해 품질이 지속적으로 더 높았다. 스텁 교수는 미래에 이 새로운 물질이 개방형 관절 수술 또는 관절경 수술에 적용될 수 있다고 예상한다. 현재 표준 치료법은 미세 골절 수술로, 외과의사가 기저 뼈에 작은 골절을 만들어 새로운 연골 성장을 유도하는 것이다. 스텁 교수는 "미세 골절 접근 방식의 주요 문제점은 기능적인 관절을 위해 필요한 히알라인(유리질) 연골이 아니라 귀에 있는 연골과 같은 섬유 연골이 형성되는 경우가 많다는 것이다. 유리질 연골을 재생함으로써 우리의 접근 방식은 마모에 대한 저항력을 높여야 하며, 장기적으로 이동성 저하와 관절 통증 문제를 해결하고 동시에 대형 하드웨어를 사용한 관절 재건 필요성을 피할 수 있어야 한다"고 말했다.
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- 포커스온
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[신소재 신기술(91)] 노스웨스턴대 연구팀, 연골 재생 신소재 개발 성공
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미세 플라스틱, 발기 부전에도 영향
- 인간의 음경에서도 미세 플라스틱이 처음으로 발견됐다. 최근 연구에 따르면, 인간의 음경 조직에서 미세 플라스틱이 검출되었으며, 이는 발기부전과 연관될 가능성이 제기됐다. CNN과 네이처닷컴, 인디펜던트 등 다수 외신은 이에 대해 집중 보도했다. 19일(현지시간) 국제 성의학 저널인 IJIR에 발표된 연구의 일환으로 발기부전 관련 수술을 받은 5명의 남성의 음경 조직 샘플을 분석한 결과 7가지 종류의 미세 플라스틱이 검출됐다. 미세 플라스틱 조각은 0.2인치(5mm)미만에서 1/2만5000인치(1마이크로미터)에 이르는 고분자 조각이다. 그보다 작은 것은 나노 플라스틱이라고 하며, 10억분의 1미터 단위로 측정해야 한다. CNN에 따르면 나노 플라스틱은 큰 플라스틱이 화학적으로 분해되거나, 물리적으로 마모되어 작은 조각으로 분해될 때 형성된다. 이번 연구를 주도한 마이애미 대학에서 연구를 수행한 생식 비뇨기과 전문가인 란지스 라마사미(Ranjith Ramasamy) 박사는 인간의 심장에서 미세플라스틱의 증거를 발견한 이전 연구를 연구의 기초로 사용했다고 CNN에 말했다. 라마사미 박사는 "음경이 심장처럼 혈관이 매우 많은 기관이기 때문에 음경에서 미세 플라스틱이 발견된 것에 놀라지 않았다"고 말했다. 이전 연구에 따르면 표준 크기의 생수 2개에 해당하는 생수 1리터에는 평균 24만개의 플라스틱 입자가 포함된 것으로 나타났다. PET 가장 많이 검출돼 샘플은 발기부전(ED)진단을 받고 2023년 8월부터 9월 사이에 마이애미 대학교에서 이 잘환을 치료하기 위해 음경 임플란트 수술을 받기 위해 병원에 입원한 연구 참가자로부터 채취했다. 그런 다음 화학 이미징을 사용하여 샘플을 분석한 결과 남성 5명중 4명의 음경 조직에서 미세 플라스틱이 있는 것으로 나타났다. 이번 연구에서는 특히 폴리에티렌 테레프탈레이트(PET)와 폴리프로필렌이 가장 많이 발견됐다. PET와 플로프로필렌은 주스 용기, 음료수 병 등 일상 생활에서 흔히 사용되는 플라스틱이다. 앞선 연구에서는 중국 공중보건 연구팀은 테스트한 모든 샘플의 정액에서 미세 플라스틱을 발견했으며, 정자 운동에도 영향을 미친다고 밝혔다. 해당 연구팀은 중국 동부 산동성의 성도인 지난(Jinan, 濟南)에 살고 있는, 플라스틱 산업에 종사하지 않는 건강한 성인 남성 36명으로부터 정액 샘플을 수집했다. 모든 정액 샘플에서 샘플당 평균 2개의 입자(0.72~7.02μm 범위)의 미세플라스틱을 발견했다. 또한 8개의 서로 다른 플라스틱 폴리머가 확인되었으며, 포장용 스티로폼에 흔히 사용되는 폴리스티렌(31%)이 가장 많이 발견됐다. 이전 연구에 따르면 미세 플라스틱은 산꼭대기, 대기 상층부, 깊은 해양과 남극 등 거의 모든 곳에 존재하는 것으로 나타났다. 또한 인간의 심장과 태반, 뇌, 고환 등 인체의 모든 기관에서도 미세 플라스틱이 검출됐다. 병리학 관련 추가 연구 필요 라마사미 박사는 "플라스틱 병과 용기에 들어 있는 물과 음식을 섭취하는 것에 주의를 기울여야 하며 병리학을 유발할 수 있는 수준을 확안하기 위한 더 많은 연구가 완료될 때까지 사용을 제한해야 한다고 생각한다"고 말했다. 연구팀은 발기 시 혈관 확장으로 인해 혈액 내 미세 플라스틱이 음경에 축적될 수 있다고 추정했다. 또한 미세 플라스틱이 성 건강에 미치는 영향에 대한 추가 연구가 필요하다고 강조했다. 본 연구는 표본 크기가 작지만, 미세 플라스틱이 인체에 미치는 영향, 특히 남성 생식기에 대한 새로운 논의를 제기하는 중요한 의미를 지닌다. 라마사미 박사는 "이제 미세 플라스틱의 존재가 확인됐으며, ED와 같은 질환과의 잠재적 연관성을 조사하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다"고 말했다. 그는 "미세 플라스틱이 발가부전과 연관이 있는지, 병리학을 유발하는 수준 이상인지, 어떤 유형의 미세 플라스틱이 병리학적인지 파악해야 한다"고 덧붙였다.
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- 생활경제
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미세 플라스틱, 발기 부전에도 영향
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[신소재 신기술(59)] 질화갈륨-마그네슘 초격자, 새로운 합성법으로 탄생
- 과학자들이 질화갈륨(GaN)과 금속 마그네슘(Mg)을 가열해서 초격자가 형성되는 것을 발견했다. 일본 나고야 대학 연구팀은 질화갈륨과 마그네숨 간의 열 반응을 통해 톡특한 조격자 구조가 형성되는 것을 실험 과정 중에 우연히 발견했다고 PHYS가 보도했다. 이는 벌크 반도체에 2차원 금속층이 삽입되는 현상이 최초로 확인된 사례이다. 초격자는 인공적으로 만들어진 주기적인 구조를 가진 물질로, 고성능 트랜지스터, 레이저 다이오드, 광검출기 등 다양한 분야에 활용된다. 연구팀은 최첨단 분석 기술을 통해 물질을 정밀하게 관찰해 반도체 도핑 및 탄성 변형 공학에 대한 새로운 통찰력을 얻었으며, 연구 결과는 학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다. 질화갈륨(GaN)은 높은 전력 밀도와 빠른 작동 주파수를 요구하는 분야에서 기존 실리콘 반도체를 대체할 것으로 기대되는 광대역 갭 반도체 물질이다. GaN의 이러한 특징은 LED레이저 다이오드, 전력 전자 장치(전기 자동차 및 고속 충전기의 핵심 부품 포함) 등 다양한 분야에서 활용 가치가 높다. GaN 기반 장치의 성능 향상은 에너지 절약 사회 실현과 탄소 중립 미래를 실현하는 데 기여할 수 있다. 반도체에는 p형 및 n형이라는 두 가지 필수적이고 상호 보완적인 전기 전도 유형이 존재한다. p형 반도체는 주로 양전하를 운반하는 자유 캐리어인 정공을 특징으로 하며, n형 반도체는 자유 전자를 통해 전기를 전도한다. 반도체는 도핑이라는 과정을 통해 p형 또는 n형 전도성을 획득한다. 도핑은 순수 반도체 물질에 특정 불순물(도펀트)을 의도적으로 도입하여 전기적 및 광학적 특성을 크게 변화시키는 것을 의미한다. GaN 반도체 분야에서 p형 전도성을 생성하는 것으로 알려진 유일한 원소는 Mg이다. 그러나 Mg 도핑의 성공 이후 35년이나 지났음에도 불구하고, GaN에서 Mg 도핑의 전체 메커니즘, 특히 Mg의 용해도 한계 및 분리 거동은 여전히 명확하지 않다. 이러한 불확실성은 광전자 및 전자 분야에서의 최적화를 제한한다. 이 연구의 제1 저자인 지아 왕과 그의 동료들은 p형 GaN의 전도도를 개선하기 위해 GaN 웨이퍼에 증착된 금속 Mg 박막을 패턴화하고 고온에서 가열하는 어닐링이라는 기존 공정을 수행하는 실험을 진행했다. '어닐링(Annealing)'은 금속이나 유리 등의 재료를 가열한 후 천천히 식혀 내부 응집력을 제거하고 재료의 성질을 변화시키는 열처리 과정을 말한다. 금속을 가열하고 천천히 식히면 재료의 결정 구조를 변화시켜 강도, 경도, 내식성 등의 특징을 개선할 수 있다. 왕 연구원은 "GaN은 이온 결합과 공유 결합이 혼합된 광대역 갭 반도체이고 Mg는 금속 결합을 특징으로 하는 금속이지만, 이 두 이질적인 물질은 동일한 결정 구조를 가지고 있으며 육각형 GaN과 육각형 Mg의 격자 차이가 무시할 정도로 적다는 것은 놀랍도록 자연스러운 우연"이라고 말했다. 이어 "우리는 GaN과 Mg사이의 완벽한 격자 일치가 구조를 만드는 데 필요한 에너지를 크게 줄여 이러한 초격자의 자발적인 형성에 중요한 역할을 한다고 생각한다"라고 설명했다. 연구팀은 최첨단 전자 현미경 이미징을 사용해 GaN 및 Mg 층이 번갈아 나타나는 초격자의 자발적인 형성을 관찰했다. GaN과 Mg는 물리적 특성이 크게 다른 물질이므로 이처럼 초격자가 자발적으로 형성된 것은 매우 특이한 현상이다. 연구팀은 이 독특한 삽입 거동을 '틈새 삽입(interstitial intercalation)'이라고 명명하고, 이것이 모재에 압축 변형을 유발한다는 것을 밝혀냈다. 특히 Mg 층이 삽입된 GaN은 20GPa 이상의 높은 응력을 견뎌냈다. 이는 대기압의 20만배에 해당하며, 박막 물질에서 기록된 가장 높은 압축 변형이다. 이는 실리콘 필름에서 일반적으로 발견되는 압축 응력(0.1~2GPa)보다 훨씬 크다. 전자 박막은 이러한 변형으로 인해 전자 및 자기 특성에 상당한 변화를 겪을 수 있다. 연구팀은 변형된 방향을 따라 정공 수송을 통한 GaN의 전기 전도도가 크게 향상되었음을 발견했다. 한편, 이 연구는 'GaN 기술의 요람'으로 알려진 나고야 대학에서 이루어졌다는 데 의미가 있다. 이번 연구의 교신 저자인 아마노 히로시와 나고야 대학의 아카사키 이사무는 1980년대 후반에 Mg가 도핑된 GaN을 사용해 최초의 청색 LED를 개발했다. 이들의 공헌은 2014년 노벨 물리학상 수상으로 이어졌다. 이번 연구에서는 2차원 Mg 도핑의 새로운 메커니즘을 밝혀냄으로써 III-질화물 반도체 연구 분야의 잠재적으로 새로운 길을 열 것으로 기대된다. 왕 연구원은 "마그네슘이 삽입된 GaN 초격자 구조의 발견과 2D-Mg 도핑의 새로운 메커니즘 규명은 질화 3족 반도체 연구 분야의 선구적인 업적을 기릴 수 있는 어렵게 얻은 기회"라고 말했다. 노벨상 수상 후 10년 만에 Mg 도핑의 기술을 발전시킨 왕 연구원은 "이 시기적절한 발견이 이 분야의 새로운 길을 열고 더 많은 기초 연구에 영감을 줄 수 있는 '자연의 진정한 선물'"이라고 밝혔다. 이 연구에는 나고야 대학에서 지아 왕, 카이 웬타오, 순 루, 에미 카노, 비랩 사르카, 와타나베 히로타카, 이카라시 노부유키, 혼다 요시오, 아마노 히로시 등이 참여했다. 외에도 메이지 대학교의 연구진과 오사카 대학교의 나카지마 마코토 교수가 이끄는 광학 그룹이 이 연구의 다른 공저자로 참여했다.
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[신소재 신기술(59)] 질화갈륨-마그네슘 초격자, 새로운 합성법으로 탄생
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미세플라스틱, 모든 정액 샘플에서도 발견
- 중국에서 미세플라스틱이 모든 인간의 정액에서 발견됐으며, 정자 운동에도 영향을 미친다는 연구 결과가 나왔다고 메디컬 익스프레스와 인터레스팅엔지니어링 등 다수 외신이 보도했다. 중국의 여러 기관과 연계된 공중보건 연구팀은 테스트한 모든 샘플의 정액에서 미세플라스틱을 발견했다고 밝혔다. 이번 연구 결과는 '전체 환경과학((Science of the Total Environment)' 저널에 발표됐다. 연구팀은 직업상 플라스틱에 노출되지 않은 개인을 대상으로 △ 미세플라스틱 폴리머(Polimer, 고분자량 화합물)의 존재와 △ 어떤 유형의 플라스틱이 얼마나 많이 들었는지, △ 정액에 영향을 미치는 매개변수와의 관계를 조사하는 것을 목표로 했다. 연구팀은 중국 동부 산동성의 성도인 지난(Jinan, 濟南)에 살고 있는, 플라스틱 산업에 종사하지 않는 건강한 성인 남성 36명으로부터 정액 샘플을 수집했다. 이전 연구에 따르면 미세플라스틱은 산꼭대기, 외딴 섬, 대기 상층부, 깊은 해양과 남극 등 거의 모든 곳에 존재하는 것으로 나타났다. 또한 심장과 뇌, 태반, 개와 인간의 고환 등 인체의 모든 기관에서도 미세플라스틱이 발견됐다. 이번 연구에서 각 샘플은 화학 용액과 혼합한 뒤 현미경 분석을 위해 필터링(여과)했다. 미세플라스틱 폴리머를 식별하고 정량화하고 뷴류하기 위해 라만 현미경을 사용했다. 연구에 따르면 정자 운동성은 컴퓨터 보조 성분을 통해 평가됐으며, 형태는 Diff-Quik 염색을 통해 평가됐다. 최근 연구에서 과학자들은 사람들이 평균적으로 매주 신용 카드 1장에 해당하는 양의 플라스틱을 소비한다는 사실을 발견했다. 연구팀은 사람들이 플라스틱 물병에 든 물을 마시거나 공기 입자를 흡입하거나, 플라스틱 용기에 담긴 가열된 음식을 먹는 등 다양한 방법을 통해 미세플라스틱이 몸 안으로 들어갈 수 있다고 지적했다. 그들은 또한 이제 사람들이 미세플라스틱 섭취를 피하는 것은 실질적으로 불가능하다고 말했다. 8가지 유형의 폴리머 확인 연구팀은 모든 정액 샘플에서 샘플당 평균 2개의 입자(0.72~7.02μm 범위)의 미세플라스틱을 발견했다. 또한 8개의 서로 다른 플라스틱 폴리머가 확인되었으며, 포장용 스티로폼에 흔히 사용되는 폴리스티렌(31%)이 가장 많이 발견됐다. 연구에 따르면 정자 형태학적 이상이 발견됐지만 특정 플라스틱 유형과 유의미한 관련은 없는 것으로 나타났다. 연구팀은 또한 섭취된 미세플라스틱이 전 세계 출산율 감소의 원인이 될 수 있는지 테스트했다. 연구팀은 폴리염화비닐 플라스틱 조각에 포함된 정액 샘플에서 정자의 운동성이 낮다는 사실을 발견했다. 이는 출산율 감소를 설명하는데 도움이 될수 있음을 시사한다. 폴리스티렌에 노출된 정액은 폴리염화비닐 노출 그룹에 비해 더 높은 정자 진행성 운동을 보였다. 건강에 미치는 영향은 아직 알려지지 않았지만 전 세계 많은 과학자들은 미세플라스틱 섭취가 많은 염증성 질환의 원인이 될 수 있다고 추정하고 있다. 연구팀은 다양한 미세플라스틱 폴리머에 대한 노출이 정자의 진행성 운동에 미치는 영향이 다양하다고 설명했다. 이는 광범위하게 존재하고 잠재적인 생식 독성을 지난 미세플라스틱이 남성 생식 능력에 어떤 영향을 미치는 지 추가 조사의 필요성을 강조했다.
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미세플라스틱, 모든 정액 샘플에서도 발견
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[신소재 신기술(47)] ETH 취리히, 그래핀 내 전자 소용돌이 최초 감지
- 스위스 연방 공과대학교(ETH 취리히)의 연구팀이 최초로 고해상도 자기장 센서를 사용해 그래핀에서 전자 소용돌이를 직접 검출하는 데 성공했다고 과학 웹사이트 phys.org가 지난 14일(현지시간) 보도했다. 금속 와이어와 같은 일반적인 전기 도체를 배터리에 연결하면 도체 내의 전자는 배터리가 생성하는 전기장에 의해 가속된다. 전자는 이동하는 동안 전선의 불순물 원자 또는 결정 격자의 빈 공간과 자주 충돌해 운동 에너지의 일부를 격자 진동으로 변환한다. 이 과정에서 손실되는 에너지는 예를 들어 백열전구를 만질 때 느낄 수 있는 열로 변환된다. 격자 불순물과의 충돌은 자주 발생하지만 전자 간의 충돌은 훨씬 드물다. 그러나 벌집 모양 격자로 배열된 탄소 원자 단일층인 그래핀을 일반적인 철 또는 구리 와이어 대신 사용하면 상황이 달라진다. 그래핀에서 불순물 충돌은 드물고 전자 간 충돌이 주요 역할을 한다. 이 경우 전자는 점성 액체처럼 행동한다. 따라서 잘 알려진 흐름 현상인 소용돌이(와류)가 그래핀 층에서 발생해야 한다. ETH 취리히의 크리스티안 데겐(Christian Degen) 연구원은 고해상도 자기장 센서를 사용해 그래핀의 전자 소용돌이를 처음으로 직접 감지하는 데 성공했다고 '사이언스(Science)' 저널에 보고했다. 고감도 양자 감지 현미경 데겐과 그의 동료 연구원들은 제작 과정에서 폭 1㎛(마이크로미터) 너비의 전도성 그래핀 스트립에 부착한 작은 원형 디스크에 형성된 소용돌이를 연구했다. 디스크의 직경은 1.2㎛에서 3㎛사이였다. 이론적 계산에 따르면 작은 디스크에서는 전자 소용돌이가 형성되지만 큰 디스크에서는 형성되지 않아야 한다. 소용돌이를 가시화하기 위해 연구팀은 그래핀 내부에 흐르는 전자가 생성하는 미세한 자기장을 측정했다. 이를 위해 연구팀은 다이아몬드 바늘 끝에 질소-공동 센터(Nitrogen-vacancy center, NV 센터)가 내장된 양자 자기장 센서를 사용했다. 원자 결함인 NV 센터는 외부 자기장에 따라 에너지 레벨이 변하는 양자 물체처럼 작동한다. 레이저 빔과 마이크로웨이브 펄스를 사용하면 센터의 양자 상태를 자기장에 최대 감도를 갖도록 준비할 수 있다. 연구원들은 레이저를 사용해 양자 상태를 판독함으로써 이러한 자기장의 세기를 매우 정확하게 측정할 수 있었다. 데겐 연구팀의 박사 과정 학생이었던 마리우스 팜은 "다이아몬드 바늘의 크기가 작고 그래핀 층과의 거리가 약 70나노미터에 불과하기 때문에 100나노미터 미만의 해상도로 전자 전류를 볼 수 있었다"고 말했다. 이 분해능은 소용돌이를 관찰하기에 충분하다. 소용돌이 흐름 방향 반전 관찰 연구팀은 측정에서 더 작은 디스크에서 예상되는 소용돌이의 특징적인 징후, 즉 흐름 방향의 반전을 관찰했다. 일반(확산) 전자 수송에서는 스트립과 디스크의 전자가 같은 방향으로 흐르지만, 소용돌이의 경우 디스크 내부의 흐름 방향이 반전된다. 계산에서 예측한 대로 더 큰 디스크에서는 소용돌이가 관찰되지 않았다. 팜은 "매우 민감한 센서와 높은 공간 분해능 덕분에 그래핀을 냉각할 필요도 없었고 상온에서 실험을 수행할 수 있었다"고 말했다. 또한, 연구팀은 전자 와류뿐만 아니라 정공 캐리어에 의해 형성된 와류도 감지했다. 그래핀 아래에서 전압을 가함으로써, 연구원들은 전류 흐름이 더 이상 전자가 아닌 정공이라고도 하는 누락된 전자에 의해 전달되도록 자유 전자의 수를 변경했다. 전자와 정공이 모두 작고 균형 잡힌 농도가 있는 전하 중립점에서만 와류가 완전히 사라졌다. 팜은 "현재 전자 소용돌이의 탐지는 기초 연구이며 아직 미해결 과제가 많이 남아 있다"고 말했다. 연구팀은 전자와 그래핀의 경계면과의 충돌이 흐름 패턴에 어떤 영향을 미치는지, 더 작은 구조에서 어떤 효과가 발생하는지 추가 연구를 진행할 계획이다. 출처: Marius L. Palm 외, '상온에서 그래핀의 전류 소용돌이 관찰', Science (2024). DOI: 10.1126/science.adj2167
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[신소재 신기술(47)] ETH 취리히, 그래핀 내 전자 소용돌이 최초 감지
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[신소재 신기술(41)] 극한의 강도와 인성 가진 혁신적인 합금
- 미국 버클리 국립연구소 과학자들은 원자 수준에서 합금 결정의 꼬임이나 굽힘으로 인해 극한의 온도에서도 균열이 발생하지 않는 특별한 금속 합금을 발견했다. 과학 전문매체 사이테크데일리는 지난 4월 29일(현지시간) 로렌스 버클리 국립연구소와 UC 버클리의 연구원들이 개발한 신소재에 대해 거의 불가능에 가까운 강도와 인성으로 재료 과학자들에게 충격을 주는 혁신적인 새로운 합금이라고 전했다. 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 하프늄으로 구성된 금속 합금은 지금까지 거의 달성하기 불가능해 보였던 극한의 고온과 저온 모두에서 놀라운 강도와 인성을 보여주었다고 한다. 여기서 강도는 재료가 원래 모양에서 영구적으로 변형되기 전에 견딜 수 있는 힘의 양으로 정의되며, 인성은 파단(균열)에 대한 저항력을 의미한다. 광범위한 조건에서 굽힘과 파단에 대한 합금의 복원력은 더 높은 효율로 작동할 수 있는 차세대 엔진을 위한 새로운 종류의 재료에 대한 문을 열 수 있다고 평가된다. 이전에는 이러한 특성을 동시에 달성하는 것이 거의 불가능하다고 여겨졌다. 이 연구는 로버트 리치(Robert Ritchie) 박사가 이끄는 로렌스 버클리 국립연구소(Berkeley Lab)와 UC 버클리 팀과 디란 아펠리안(Diran Apelian) 교수가 이끄는 UC 어바인 팀, 엔리케 라베르니아(Enrique Lavernia) 교수가 이끄는 텍사스 A&M 대학교 팀의 협력으로 진행됐다. 이 연구는 최근 '사이언스(Science)' 저널에 게재됐다. 이 합금의 특징은 넓은 온도 범위에서 강도과 파손에 대한 놀라운 저항성을 가지고 있다는 것이다. 이는 차세대 엔진을 위한 새로운 소재 개발에 혁신을 가져올 수 있는 가능성을 열어준다. 새로운 금속 합금 RHEA/RMEA 연구팀은 이 합금의 놀라운 특성을 발견하고 원자 구조에서 발생하는 상호 작용으로 인해 이러한 특성이 어떻게 발생하는지 밝혀냈다. 이들은 특히 RHEA/RMEA(Refractory High or Medium Entropy Alloys)라고 불리는 새로운 금속 합금 계열에 속하는 합금에 집중했다. 리치 연구실의 박사 과정 학생인 제1저자 데이비드 쿡(David Cook)은 "열을 전기 또는 추력으로 변환하는 효율은 연료가 연소되는 온도에 따라 결정되며, 온도가 높을수록 더 좋다. 그러나 작동 온도는 이를 견뎌야 하는 구조 재료에 의해 제한된다"고 설명했다. 쿡 연구원은 "우리는 현재 고온에서 사용하는 재료를 더욱 최적화할 수 있는 새로운 금속 재료가 절실히 필요하다. 이 합금이 바로 그 가능성을 보여주는 것"이라고 덧붙였다. 기존 RMEA의 한계 돌파한 뛰어난 인성 대부분의 상업용 또는 산업용 응용 분야에서 사용되는 금속은 하나의 주요 금속에 소량의 다른 원소를 혼합하여 만든 합금이지만, RHEA/RMEA는 매우 높은 녹는점을 가진 금속 원소를 거의 동일한 비율로 혼합해서 만든다. 이로 인해 RHEA/RMEA는 과학자들이 아직 밝혀내지 못한 독특한 특성을 가지고 있다. 리치 박사 팀은 고온 응용 분야의 잠재력으로 인해 수년 동안 이러한 합금을 연구해 왔다. 해당 논문의 공동 저자인 푸닛 쿠마르(Punit Kumar)박사는 "저희 팀은 이전에 RHEA/RMEA에 대한 연구를 진행했으며 이러한 재료가 매우 강하지만 일반적으로 극도로 낮은 인성을 가지고 있다는 것을 발견했다. 따라서 이 합금이 예외적으로 높은 인성을 보이는 것을 발견했을 때 매우 놀랐다"고 말했다. 극한의 온도에서도 강도와 인성 유지 쿡에 따르면 대부분의 RMEA는 파단 인성이 10MPa√m 미만으로, 기록상 가장 부서지기 쉬운 금속 중 하나다. 골절에 견디도록 특별히 설계된 최고의 극저온 강은 이 소재보다 약 20배 더 강하다. 하지만 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 하프늄(Nb45Ta25Ti15Hf15) RMEA 합금은 상온에서 일반적인 RMEA보다 25배 이상의 강도를 기록하여 극저온 강철을 능가할 수 있었다. 연구팀은 -196°C(액체 질소 온도), 25°C(실온), 800°C, 950°C 및 1200°C의 총 5가지 온도에서 새로운 합금의 강도와 인성을 평가했다. 마지막 온도인 1200°C는 태양 표면 온도의 약 1/5에 해당한다. 마침내 연구팀은 합금이 추위에서는 가장 강도가 높고 온도가 상승함에 따라 다소 약해졌지만 여전히 넓은 범위에서 인상적인 수치를 자랑한다는 것을 발견했다. 인성은 기존 균열에 얼마나 많은 힘이 필요한지 계산해서 산출되며 모든 온도에서 높았다. 원자 배열의 비밀 풀기 거의 모든 금속 합금은 결정질이며, 이는 재료 내부의 원자가 반복 단위로 배열되어 있음을 의미한다. 그러나 완벽한 결정은 없으며 모두 결함을 포함하고 있다. 가장 눈에 띄는 결함은 결정 내 원자의 미완성 평면인 전위라고 불리는 결함이다. 금속에 힘이 가해지면 모양 변화를 수용하기 위해 많은 전위가 움직이게 된다. 예를 들어 알루미늄으로 만든 종이 클립을 구부리면 종이 클립 내부의 전위가 움직이면서 모양이 변한다. 그러나 낮은 온도에서는 전위의 움직임이 더 어려워지고, 그 결과 많은 재료가 저온에서 전위가 움직이지 못해 부서지기 쉽다. 타이타닉의 강철 선체가 빙산에 부딪혔을 때 부서진 것도 바로 이 때문이다. 녹는 온도가 높은 원소와 그 합금은 이러한 현상을 극한으로 끌어올려 800°C까지 부서지기 쉽다. 하지만 이 RMEA는 액체 질소(-196°C)와 같은 낮은 온도에서도 잘 깨지지 않는 특성을 보이고 있다. 공동 연구자인 앤드류 마이너와 연구팀은 이 놀라운 금속 내부 특성을 이해하기 위해 버클리 랩 분자 파운드리의 일부인 국립 전자 현미경 센터의 4차원 주사 투과 전자 현미경(4D-STEM)과 주사 투과 전자 현미경(STEM)을 사용해 응력을 받은 샘플과 구부러지지 않고 금이 가지 않은 대조 샘플을 분석했다. 전자 현미경 데이터에 따르면 합금의 특이한 인성은 '꼬임 밴드(kink band)'라는 희귀 결함의 예상치 못한 부작용에서 비롯된 것으로 밝혀졌다. 꼬임 밴드는 가해진 힘으로 인해 결정 조각이 스스로 붕괴되어 갑작스럽게 구부러질 때 결정에 형성된다. 연구팀은 이전 연구를 통해 RMEA에서 꼬임 밴드가 쉽게 형성된다는 사실을 알고 있었지만 연화 효과가 격자를 통해 균열이 퍼지기 쉽게 만들어 재료의 강도를 낮출 것이라고 가정했다. 하지만 실제로는 그렇지 않았다. 쿡은 "우리는 원자 사이에 날카로운 균열이 있는 경우 꼬임 밴드가 실제로 손상을 멀리 분산시켜 균열의 전파에 저항하여 균열을 방지하고 매우 높은 파괴 인성을 이끌어 낸다는 것을 처음으로 보여주었다"라고 말했다. 한편, 리치는 "기계 엔지니어는 실제 세계에서 사용하기 전에 재료의 성능에 대한 깊은 이해가 당연히 필요하기 때문에 Nb45Ta25Ti15Hf15 합금을 제트기 터빈이나 스페이스X 로켓 노즐과 같은 것을 만들기 전에 훨씬 더 근본적인 연구와 엔지니어링 테스트를 거쳐야 한다"고 지적했다.
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[신소재 신기술(41)] 극한의 강도와 인성 가진 혁신적인 합금
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[신소재 신기술(38)] 한국 과학자팀, 상온 상압에서 다이아몬드 최초 합성
- 한국 기초과학연구원 연구원들이 새로운 액체 금속 합금 시스템을 사용해 상온 상압에서 다이아몬드 합성에 성공했다. 기초과학연구원(IBS)은 다차원탄소재료연구단 로드니 루오프 연구단장 팀이 갈륨, 철, 니켈, 실리콘으로 구성된 액체 금속 합금을 이용해 1기압과 1025°C의 상온 상압 조건에서 다이아몬드를 합성하는 데 세계 최초로 성공했다고 25일 밝혔다. 이 연구는 기존의 다이아몬드 합성 방법을 획기적으로 발전시킬 수 있는 성과라고 사이언스얼럿과 과학기술 웹사이트 Phsy 등에서도 비중있게 다뤘다. 기존의 다이아몬드 합성은 고온 고압(HPHT) 방법을 사용하며, 고온고압 조건을 유지하기 위한 압력 셀 제한 크기 때문에 다이아몬드 크기도 작아서 약 1㎠로 제한된다. 일반적으로 다이아몬드는 액체 금속 촉매를 사용해 '기가파스칼 압력 범위'(일반적으로 5~6GPa, 1GPa는 약 1만 기압)와 1300~1600°C의 고온에서만 다이아몬드를 생산할 수 있다. 천연 다이아몬드는 지하 깊은 곳의 극식한 압력과 온도에서 형성되는 데 수십억년이 걸린다. 합성 다이아몬드는 최대 몃 주 동안 강력한 압착이 필요하다. IBS 연구팀이 이번에 개발한 액체 금속 혼합을 기반으로 한 새로운 방법은 기존 다이아몬드 합성 패러다임을 깨고,1025도 온도 및 1기압 압력 조건에서 처음으로 다이아몬드를 합성했다. 이는 우리가 해수면에서 느끼는 압력과 동일하며 일반적으로 요구되는 압력보다 수만 배 더 낮다. 연구팀은 빠르게 가열과 냉각이 가능한 'RSR-S'라는 냉벽 진공 장치를 자체 제작해 통상 3시간 걸리는 기존 장치들과 달리, 15분이면 끝날 수 있게 했다. RSR-S는 온도와 압력을 빠르게 조절해 액체 금속 합금을 만드는 장치다. 연구팀은 메탄과 수소에서 갈륨 77.75%, 니켈 11.00%, 철 11.00%, 실리콘 0.25%로 구성된 액체 금속 합금을 만들어 하부 표면에서 다이아몬드 구성 물질인 탄소가 성장하는 것을 확인했다. 이 연구는 '네이처(Nature)' 저널 온라인에 게재됐다. 현재 다양한 산업 공정, 전자 제품, 심지어 양자 컴퓨터에 사용되는 대부분의 합성 다이아몬드를 만드는 데 사용되는 공정은 며칠이 걸리며 훨씬 더 많은 압력이 필요하다. 이 새로운 기술이 그 잠재력을 발휘한다면 다이아몬드 제작은 훨씬 더 빠르고 쉬워질 것이다. UNIST 석좌교수이기도 한 루오프 소장은 "이 선구적인 돌파구는 인간의 독창성과 끊임없는 노력, 그리고 많은 공동 연구자들의 협력이 만들어낸 결과"라고 말했다. 연구팀은 "액체 금속을 사용하는 일반적인 접근 방식은 다양한 표면에서 다이아몬드의 성장을 가속화하고 발전시킬 수 있으며 아마도 작은 다이아몬드(씨앗) 입자에서 다이아몬드의 성장을 촉진할 수 있다"라고 썼다. 루오프 소장은 "우리는 대형 챔버(내부 용적이 100리터인 RSR-A 챔버)에서 파라미터 연구를 진행했는데, 공기를 펌핑(약 3분)하고 불활성 가스로 퍼지(90분)한 다음 다시 진공 수준으로 펌프 다운(3분)하여 챔버를 1기압의 매우 순수한 수소/메탄 혼합물로 채우고(다시 90분) 실험을 시작하는 데 3시간 이상 소요되는 시간 때문에 다이아몬드 성장을 위한 파라미터 탐색이 더뎠다!"고 밝혔다. 이어 성원경 박사는 "메탄과 수소의 혼합물에 노출된 액체 금속으로 실험을 시작하고 완료하는 데 필요한 시간을 크게 줄이기 위해 훨씬 더 작은 챔버를 설계하고 제작하도록 요청했다"고 말했다. 성 박사는 "우리가 새로 제작한 시스템 즉, 내부 용적이 9리터에 불과한 RSR-S은 총 15분 만에 메탄/수소 혼합물을 펌핑, 퍼지, 배출, 채우기까지 완료할 수 있다. 매개변수 연구가 크게 가속화되었고, 이를 통해 액체 금속에서 다이아몬드가 성장하는 매개변수를 발견할 수 있었다"라고 설명했다. 제1저자인 얀 공 UNIST 대학원생은 "어느 날 RSR-S 시스템으로 실험을 진행한 후 흑연 도가니를 식혀 액체 금속을 고형화한 후 고형화된 액체 금속 조각을 제거했을 때, 이 조각의 바닥면에 수 밀리미터에 걸쳐 '무지개 무늬'가 퍼진 것을 발견했다. 그 무지개 색이 다이아몬드 때문이라는 사실을 알게 되었다! 이를 통해 다이아몬드의 재현 가능한 성장에 유리한 매개변수를 파악할 수 있었다"라고 말했다. 연구팀은 또 '광 발광 분광법' 실험으로 물질에 빛을 쏘아 방출되는 파장 빛을 준석해 다이아몬드 내 '실리콘 공극 컬러 센터' 구조도 발견했다. 이 구조는 액체 금속 합성 구성요소 중 하나인 실리콘이 탄소로만 이루어진 다이아몬드 결정 사이에 끼어들어 있는 것이다. 실리콘 공극 컬러 센터 구조는 양자 크기의 자성을 가져 자기 민감도가 높고, 양자 현상(양자적인 특성)을 보인다. 그로 인해 향후 나노 크기의 자기 센서 개발과 양자 컴퓨팅 분야의 응용이 기대된다. 논문 공동 저자인 메이후이 왕 박사는 "실리콘 공극 컬러 중심을 가진 이 합성 다이아몬드는 자기 감지 및 양자 컴퓨팅에 응용될 수 있을 것"이라고 말했다. 연구팀은 이러한 새로운 조건에서 다이아몬드가 핵을 형성하고 성장할 수 있는 메커니즘에 대해 심도 있게 연구했다. 시료의 단면을 고해상도 투과전자현미경(TEM)으로 촬영한 결과 다이아몬드와 직접 접촉한 고체 액체 금속에 약 30~40nm 두께의 비정질 표면 영역이 존재하는 것으로 나타났다. 공동 저자인 최명기 박사는 "이 비정질 영역의 상부 표면에 존재하는 원자의 약 27%가 탄소 원자였으며, 탄소 농도는 깊이에 따라 감소하는 것으로 나타났다"고 말했다. 연구팀은 또한 실리콘이 다이아몬드의 새로운 성장에 중요한 역할을 한다는 사실도 발견했다. 합금의 실리콘 농도가 최적 값보다 증가함에 따라 성장한 다이아몬드의 크기는 작아지고 밀도는 높아진다. 실리콘을 첨가하지 않으면 다이아몬드를 전혀 성장시킬 수 없었으며, 이는 실리콘이 다이아몬드의 초기 핵 형성에 관여할 수 있음을 시사한다. 루오프 소장은 "이 액체 금속에서 다이아몬드의 핵 형성과 성장에 대한 우리의 발견은 매우 흥미롭고 기초 과학을 위한 많은 흥미로운 기회를 제공한다. 이제 우리는 핵 형성과 그에 따른 다이아몬드의 빠른 성장이 언제 일어나는지 탐구하고 있다. 또한 탄소와 기타 필요한 원소의 과포화를 먼저 달성한 다음 온도를 빠르게 낮춰 핵 생성을 촉발하는 '온도 강하' 실험도 유망한 연구"라고 말했다.
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[신소재 신기술(38)] 한국 과학자팀, 상온 상압에서 다이아몬드 최초 합성
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[퓨처 Eyes(32)] 무중력 흑연 플랫폼, 자기부상 열차 기술의 미래를 열다?
- 일본 오키나와 과학 기술 연구소(OIST) 양자 기계 연구팀은 흑연과 자석을 활용해 공중에 떠있는 '무중력' 흑연 플랫폼을 선보였다. 과학 전문 웹사이트 피지스(Phys. org)와 뉴아틀라스, 퓨처리즘 등 다수 외신은 "OIST 연구팀은 물리적 접촉이나 기계적 지지대 없이도 안정적으로 매달릴 수 있는 공중 부양 소재 개발에 힘쓰고 있다"며 이번 연구에 대해 집중 조명했다. 공중 부양 소재는 물리적 접촉이나 기계적 지지 없이도 자유롭게 공중에 떠 있는 특성을 지닌 물질을 일컫는다. 가장 흔히 접하는 공중 부양 현상은 자기력에 의해 발생한다. 초전도체나 반자성 물질(자기장에 밀리는 성질)과 같은 물체를 자석 위에 부유시켜 첨단 과학 센서와 일상 용품을 개발할 수 있다는 것이다. 본 연구실 책임자인 제이슨 트왐리(Jason Twamley) 교수는 국제 협력 기관과 함께 흑연과 자석을 활용한 진공 부상 플랫폼을 설계했다. 특기할 만한 점은 이 '부상 플랫폼(플로팅 플랫폼)'이 외부 전원 공급 없이 작동하며, 초고감도 센서 개발을 위한 매우 정밀하고 효율적인 측정 환경을 제공한다는 것이다. 본 연구 결과는 권위있는 학술지 '응용물리학 레터(Applied Physics Letters)'에 게재되었다. '반자성' 물질에 외부 자기장을 가하면 이 물질은 반대 방향의 자기장을 생성하여 반발력을 일으켜 자기장을 밀어낸다. 따라서 반자성 재료로 만든 물체는 강한 자기장 위에 떠 있을 수 있다. 예를 들어 자기부상열차에서는 강력한 초전도 자석이 반자성 물질로 강한 자기장을 만들어 중력을 거스르는 것처럼 보이는 공중부양을 실현한다. 연필심에서 추출되는 흑연(결정질 탄소)은 강력한 자기 반발력(높은 반자성)을 지닌다. 연구팀은 미세한 흑연 구슬 분말을 전기 절연성이 있는 실리카로 화학 코팅한 후 왁스와 혼합하여 그리드(격자) 패턴으로 배열된 자석 위에 부상시키는 1㎠ 크기의 얇은 정사각형 플랫폼을 제작했다. 이 과정에서 흑연은 반자성을 유지하지만 절연은 부양에 필요한 에너지 손실을 방지한다. 테스트 결과 실리카 코팅 흑연 플랫폼은 북극과 남극이 번갈아가며 자석으로 구성된 표면 위에서 장시간 공중에 떠 있을 수 있었다. 연구팀은 이 공중 부양 플랫폼 시스템은 힘, 가속도 및 중력을 측정하는 새로운 유형의 센서로 이어질 수 있다고 밝혔다. 더 정밀한 양자 센서를 위해 또 다른 버전은 피드백 자력을 사용해 플랫폼의 수직 움직임을 지속적으로 수정하고 플랫폼의 운동 에너지를 줄이기 위해 냉각시킨다. 그러나 여기서 단점은 외부 전원이 필요하다는 것이다. 외부 전력 공급 없이 작동하는 자력 부상 플랫폼 구현에는 몇 가지 기술적인 과제가 있다. 가장 큰 어려움은 '와류 감쇠(eddy damping)'로, 이는 진동 시스템이 시간 경과에 따라 외부 힘으로 인해 에너지를 손실하는 현상을 의미한다. 흑연과 같은 전도성 물질이 강력한 자기장을 통과할 때 발생하는 전류 흐름은 에너지 손실을 초래하며, 이는 첨단 센서 개발에 자력 부상 기술을 활용하는 데 있어 주요한 걸림돌이 된다. 이에 OIST 연구원들은 에너지 손실 없이 부유하고 진동할 수 있는 플랫폼, 즉 한 번 가동되면 추가적인 에너지 투입 없이도 장시간 지속적으로 진동을 유지할 수 있는 플랫폼을 설계하기 시작했다. 앞서 지적한 것처럼 이러한 '마찰 없는' 플랫폼은 힘, 가속도, 중력 측정을 위한 새로운 유형의 센서 개발뿐 아니라 다양한 분야에 활용될 수 있는 잠재력을 지닌다. 와류 감쇠 문제를 해결한다고 해도 진동 플랫폼의 운동 에너지 최소화라는 또 다른 과제가 남아 있다. 이 에너지 수준을 낮추는 것은 다음과 같은 두 가지 이유로 중요하다. 먼저, 플랫폼을 센서로 활용할 때 더욱 민감한 측정을 가능하게 한다. 다음으로, 양자 효과가 지배적인 양자 영역으로 진입하여 운동 에너지를 냉각시키면 정밀 측정의 새로운 가능성을 열 수 있다. 따라서 진정한 마찰 없는 자립형 플로팅 플랫폼을 구현하기 위해서는 와류 감쇠와 운동 에너지 문제를 모두 해결해야 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 흑연 기반의 새로운 물질 개발에 힘썼다. 화학적 변형을 통해 흑연을 전기 절연체로 변환함으로써 에너지 손실을 최소화하면서도 진공 상태에서 물질의 부상을 가능하게 했다. 과학자들은 실험 환경에서 플랫폼의 움직임을 지속적으로 추적하고 분석했다. 이러한 실시간 데이터를 활용하여 피드백 자기장을 적용하여 플랫폼의 진동을 감쇠시킴으로써 플랫폼의 운동을 냉각하고 속도를 크게 감소시켰다. 트왐리 교수는 "열은 진동을 야기하지만, 지속적인 모니터링과 시스템에 실시간 피드백을 제공함으로써 이러한 진동을 줄일 수 있다고 설명했다. 피드백은 시스템의 감쇠 속도, 즉 에너지 손실 속도를 조절하기 때문에 적극적인 감쇠 제어를 통해 시스템의 운동 에너지를 감소시켜 효과적으로 냉각할 수 있다"고 밝혔다. 트왐리 교수는 또한 "충분히 냉각된다면 이 공중 부상 플랫폼은 지금까지 개발된 가장 민감한 원자 중력계보다 더 뛰어난 성능을 발휘할 수 있다"고 강조했다. 이어 "원자 중력계는 원자의 움직임을 이용하여 중력을 정밀하게 측정하는 최첨단 장치이다. 이러한 수준의 정밀도를 달성하기 위해서는 진동, 자기장, 전기 노이즈와 같은 외부 간섭으로부터 플랫폼을 격리하는 엄격한 엔지니어링이 필요하다. 현재 진행 중인 연구는 이러한 시스템을 개선하여 이 기술의 잠재력을 최대한 발휘하는 데 초점을 맞추고 있다"고 덧붙였다.
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[퓨처 Eyes(32)] 무중력 흑연 플랫폼, 자기부상 열차 기술의 미래를 열다?
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[먹을까? 말까?(1)] 뇌 건강에 도움 되는 '나쁜' 탄수화물
- 흰 쌀밥. 파스타 등 백색 탄수화물은 일반적으로 건강에 좋지 않다고 알려져 있다. 그러나 일부 탄수화물은 뇌 건강에 도움이 되는 것으로 밝혀졌다. 두뇌 건강을 유지하는 것은 신체 건강을 유지하는 것 만큼이나 중요할 수 있다. 뇌가 제대로 기능하지 못하면 기억력 감퇴 등의 위험이 있다. 반면, 뇌를 잘 관리하면 특정 신경 퇴행성 질환의 발병 위험을 줄일 수 있다. 생선, 호두, 아마씨에 풍부하게 함유된 오메가-3 지방산은 두뇌 발달과 기능에 중요한 역할을 하며 알츠하이머병의 위험을 낮출 수 있다. 비타민 C와 E와 같은 항산화제는 뇌세포를 손상시킬 수 있는 산화 스트레스와 싸우는 데 도움이 된다. 특히 비타민 B6, B12, 엽산은 신경전달물질 생성을 지원하고 뇌 노화와 기분 장애의 위험을 완화할 수 있다. 이팅웰이 전한 다이어트를 하는 사람들에게 나쁜 탄수화물로 알려졌지만 실제로는 뇌 건강에 좋은 건강 전문가가 추천하는 탄수화물 6가지를 정리했다. 탄수화물, 뇌 건강에 나쁜가? 키토제닉 다이어트(ketogenic Diet, 일명 키토 다이어트)와 같은 저탄수화물 다이어트의 인기로 인해 탄수화물은 건강에 좋지 않다는 오해를 받기도 한다. 키토 다이어트는 '저탄수화물 고지방 다이어트(저탄고지, Low carb-high fat diet, LCHF)'를 말한다. 열량의 총 섭취량은 유지하면서 섭취 비중 가운데 탄수화물이 들어간 음식을 줄이고 지방이 들어간 음식을 늘려 체내 인슐린 저항성을 추는 것을 목표로 한다. 뇌 건강 영양 전문가이자 베스트셀러인 「마인드 다이어트(The MIND Diet)」의 저자인 매기 문(Maggie Moon) 영양학 석사이자 공인 영양사는 "기본적으로 탄수화물은 뇌가 선호하는 에너지원인 포도당으로 분해되기 때문에 뇌는 탄수화물을 필요로 한다"라고 설명했다. 그녀는 뇌는 신진대사가 활발하고 영양분을 빨리 소모한다고 덧붙였다. 매기는 "뇌는 체중의 약 2%에 불과하지만 일일 칼로리의 최대 20%를 소비한다. 뇌에 포도당(당질)이 충분하지 않으면 뉴런 간의 통신이 중단되고 사고, 학습 및 기억을 포함한 인지 기능이 저하될 수 있다"고 말했다. 반드시 섭취해야 하는 '나쁜' 탄수화물 하지만 모든 탄수화물이 뇌 건강에 도움이 되는 것은 아니다. 설탕이 다량 첨가된 식품(구운 식품, 쿠키, 사탕, 일반 탄산음료 등)은 만성 염증과 산화 스트레스의 위험을 증가시켜 뇌세포를 손상시키고 정기적으로 섭취할 경우 인지 기능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. "'흰 색 탄수화물'은 피하라" 혹은 "천연 설탕이 함유된 탄수화물은 식탁에서 멀리해야 한다"는 말을 들어본 적이 있을 것이다. 이런 말들로 인해 탄수화물은 '해로운 것'으로 분류되는 경향이 있다. 그러나 실제로는 일부 탄수화물이 우리 식단에서 픽요핝 중요한 영양소를 제공하는 데 도움이 될 수 있다. 1. 흰 쌀(백미) 흰 쌀밥은 전세계 많은 문화권에서 주식으로 먹는 음식이며, 결코 '유해한' 탄수화물은 아니다. 가공 과정에서 섬유질이 대부분 제거되기는 하지만, 백미에는 몇 가지 주목할만한 영양 성분이 있다. 우선 백미는 지방 함량이 낮고 설탕과 나트륨이 첨가되지 않았다. 또한 칼슘, 철분, 마그네슘 등 다양한 미량의 영양소가 풍부하게 함유되어 있다. 미국 농무부의 푸드데이터 센트럴에 따르면 백미, 현미, 생쌀, 비정제 쌀 등은 엽산을 포함해 다양한 미량 영양소를 풍부하게 함유하고 있어 영양소 요구량을 충족하는 데 도움이 된다. 쌀은 자연적으로 글루텐이 없으므로 셀리악병 환자(celiac disease)에게 안전한 식품이다. 백미를 많이 섭취하는 것이 모든 사람의 식단에 적합하지는 않지만, 일반적으로 건강한 사람들에게는 영양학적으로 균형잡힌 식단의 일부가 될 수 있다. 2. 빵 빵은 샌드위치 등 다양한 용도로 사용되는 포만감을 주는 식품이다. 유행하는 다이어트 방식에서 종종 '금지 식품'으로 분류될 수도 있지만, 통곡물 빵 등 영양이 풍부한 빵을 섭취한다면 균형 잡힌 식단이 될 수 있다. 빵의 종류에 따라 영양 성분에 차이가 있을 수 있다. 예를 들어 통곡물 빵은 정제된 흰 빵에 비해 식이섬유가 더 풍부하고, 강화된 빵은 비강화된 식빵보다 비타민 B가 더 많이 함유되어 있다. 사워도우 빵(Sourdough bread, 천연발효빵)은 만드는 과정 덕분에 몇 가지 독특한 건강상의 이점을 제공할 수 있다. 일부 데이터에 따르면 사워도우 빵을 매일 섭취하면 대장 미생물의 대사를 촉진할 수 있으며, 혈당 조절과 포만감 증진에 긍정적인 영향을 미칠 수 있다. 3. 파스타 파스타는 독특한 단백질 구조를 가진 정제 탄수화물로, 흰 빵과 같은 식품보다 소화 속도가 더 느리다. 이 느린 소화 과정으로 인해 흰 빵과 비교할 때 파스타를 섭취했을 때보다 혈당 반응이 더 낮을 수 있다. 대부분의 파스타는 혈당 지수가 낮거나 중간 정도로 간주된다. 혈당 지수는 음식이 혈당을 얼마나 신속하게 올리는 지 측정하는 지표다. 따라서 혈당 지수가 높은 식품에 비해 낮은 식품은 혈당 상승 속도를 더디게 한다. 폐경기 여성을 대상으로 한 연구에 따르면 매주 파스타를 3인분 이상 먹는 사람은 뇌졸중과 죽상 경화성 심혈관 질환의 위험이 감소하는 것으로 나타났다. 또한 다른 연구 데이터에 따르면 파스타를 섭취하는 사람은 파스타를 먹지 않는 사람에 비해 식단의 질이 더 좋은 경향이 있는 것으로 나타났다. 특히 파스타를 섭취하는 사람들은 그렇지 않은 사람들에 비해 엽산, 섬유질, 철분, 마그네슘을 더 많이 섭취하는 경향이 있다. 4. 옥수수 옥수수는 수분이 풍부해 건강에 도움이 되지만 조리시 사용하는 버터의 양은 주의가 필요하다. 노란색 옥수수는 눈 건강에 도움이 되는 두 가지 카로티노이드인 루테인과 제아잔틴의 천연 공급원으로 황반변성 위험을 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 옥수수에는 섬유질, 단백질 및 아연, 구리, 마그네슘 등 다양한 영양소도 함유되어 있다. 자색 옥수수는 안토시아닌이 풍부하게 함유되어 있다. 5. 바나나 바나나는 섬유질 함량 때문에 인터넷과 소셜 미디어에서 '나쁜' 과일로 평가되기도 한다. 하지만 이러한 주장은 과학적 근거가 부족하다. 오히려 바나나는 필수 영양소를 제공해 건강한 식단의 일부가 될 수 있다. 바나나는 설탕이 전혀 첨가되지 않았으며, 영양가가 매우 높은 식품이다. 중간 크기의 바나나 한 개는 칼로리가 100kal에 불과하며 식이섬유가 3g, 칼륨, 마그네슘, 비타민 C와 같은 미량 영양소가 풍부하다. 바나나는 심장 건강을 지원하는 필수 영양소인 칼륨의 좋은 공급원이다. 실제로 건강한 혈압을 유지하는 데 가장 좋은 식단 중 하나로 꼽히는 '대시 식단(DASH Diet)'에서는 칼륨 섭취를 강조한다. 고혈압을 관리하는 대표적인 식사법인 대시 식단의 기본은 저염, 저당, 저지방이다. 완전히 익기 전에 먹으면 바나나가 제공하는 프리바이오틱 식이섬유를 추가로 섭취할 수 있다. 덜 익은 바나나에는 건강한 장내 미생물을 지원하는 데 도움이 될 수 있는 저항성 전분이 더 많이 함유되어 있다. 6. 감자 감자는 단순히 탄수화물을 공급하는 것을 넘어 섬유질, 비타민 C, 칼륨의 천연 공급원이기도 하다. 연구 데이터에 따르면 감자는 당뇨병 환자에게도 건강한 식단의 일부로 포함될 수 있는 안전한 선택이 될 수 있다. 특히, 한 연구에서는 껍질을 벗긴 감자를 저녁 식사로 섭취한 성인 제2형 당뇨병 환자가 저혈당성 바스마티 쌀(low-glycemic basmati rice)을 포함한 식사를 한 사람보다 야간 혈당 반응이 더 낮았다. 물론, 개인마다 필요한 영양소가 다르고, 모든 음식이 균형 잡힌 영양 섭취의 일환으로 교려될 수 있기 때문에 식품을 단순히 '좋은 식품' 혹은 '나쁜 식품'으로 분류하는 것은 적절하지 않다. "나쁘다"고 지속적으로 언급되는 탄수화물도 특별한 건강 문제가 없는 한 유익한 식단이 될 수 있다. 특히 전반적으로 건강한 사람들에게는 균형 잡힌 식단에 포함될 수 있다. 단백질과 채소를 곁들인 구운 감자나 신선한 바나나를 올린 시리얼과 같은 탄수화물을 포함한 식사는, 기저 질환이 없는 경우, 맛과 영양을 향상시킬 수 있는 훌륭한 식단 선택이 될 수 있다.
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- 생활경제
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[먹을까? 말까?(1)] 뇌 건강에 도움 되는 '나쁜' 탄수화물
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미세 플라스틱, 세포 분열 중에 딸세포로 전달
- 미세 플라스틱이 세포 분열 중에 전달된다는 충격적인 사실이 밝혀졌다. 케미스트리월드닷컴 뉴스는 지난 25일(현지시간) 오스트리아와 독일 연구진의 새로운 연구에 따르면 위암 세포가 흡수한 미세 플라스틱과 나노 플라스틱이 세포 분열 중에 전달된다고 보도했다. 또한 0.25μm(마이크로미터) 크기의 미세 플라스틱 입자는 세포의 이동 속도를 증가시키고 암세포의 전이 촉진 효과가 있는 것으로 추정된다. 0.25μm는 초미세먼지의 기준이다. 이 프로젝트를 공동 주도한 비엔나 의과대학의 병리학자 루카스 케너(Lukas Kenner) 박사는 "세포가 플라스틱을 흡수할 뿐만 아니라 세포 분열 후에도 플라스틱이 남아 있다는 사실이 매우 놀라웠다"고 말했다. 연구진은 4개의 위장암 세포주를 0.25, 1, 10μm의 다양한 농도의 폴리스티렌 입자에 노출시켰다. 위장관은 마이크로 및 나노 플라스틱에 매일 노출되는 주요 진입점 중 하나이기 때문에 이 세포들을 연구한 것. 연구팀의 분석에 따르면 0.25μm와 1μm의 작은 입자는 모든 세포주에서 흡수된 반면, 큰 입자는 세포층에 부착되지 않고 세포 주변에만 분포되어 있어 더 큰 미세 플라스틱이 세포에 덜 해로울 수 있다는 이전 연구 결과에 무게를 실어줬다. 연구팀은 또한 나노 플라스틱이 세포 과정에 어떤 영향을 미칠 수 있는지도 조사했다. 미세 플라스틱이 몸 전체에 퍼져 세포를 손상시킬 수 있다는 사실은 널리 알려져 있지만, 과학자들은 아직 그 메커니즘을 완전히 이해하지 못하고 있다. 의학자 푸야 욘템(Fulya Yöntem)은 "지금 우리는 그(미세 플라스틱) 영향을 보고 있고, 그 끝을 보고 있지만, 어떻게 그것이 거기에 도달하는지는 알지 못한다"라고 말했다. 케너의 연구팀은 폴리스티렌 입자가 세포 이동에 어떤 영향을 미치는지 조사했다. 세포 전이는 (암 세포)전이의 첫 단계이므로 케너는 이러한 플라스틱이 암 세포의 공격성에 영향을 미칠 수 있는지 알아보려고 했다. 연구팀은 0.25μm 입자가 나노 플라스틱에 노출되지 않은 세포에 비해 세포 이동 속도를 증가시킨다는 사실을 발견했다. 플라스틱이 세포 골격의 변화를 유도하고 이러한 변화가 세포 이동에 영향을 미칠 수 있다는 것이 연구팀의 이론이다. 또한 연구팀은 세포 분열 과정에서 나노 플라스틱 입자가 모세포와 딸세포 사이에 분포하는 것을 확인했다. 연구팀은 플라스틱 입자가 세포 분열을 가속화하고 모세포에서 딸 세포로 전달되기 때문에 이러한 플라스틱이 (암세포) 전이 촉진 효과를 가질 수 있다고 말했다. 이 아이디어는 암세포가 증식에 도움이 되는 물질을 보유하는 경향이 있다는 관찰에서 비롯됐다. 케너 박사는 "종양 세포는 항상 복제를 원하고 더 악성화되기를 원한다"라고 설명했다. 그는 "따라서 세포 내에 유지되는 모든 물질은 이론적으로는 이를 달성하는 데 도움이 된다"고 부연했다. 미국 빙엄턴 대학교의 유체-고체 인터페이스 전문가인 신 용(Xin Yong)은 이 연구가 귀중한 모델을 제공하지만 미세 플라스틱이 실험실 외부의 생물학적 세포와 어떻게 상호작용하는지에 대한 완전한 그림을 제공하지는 못한다고 지적했다. 그는 "이 결과는 매우 중요함에도 불구하고 이번 연구는 플라스틱의 주요 특성을 나타내지 않는 상업적으로 이용 가능한 폴리스티렌 나노 및 마이크로 플라스틱에 국한되어 있다"고 말했다. 환경 속의 마이크로 플라스틱과 나노 플라스틱은 플라스틱 물체가 분해되어 형성되거나 산업 제품에서 직접 방출된다. 신 용은 "결과적으로 이러한 입자는 매우 불규칙한 모양을 가지고 있으며, 연구자들은 이러한 다양한 형태가 플라스틱이 세포와 상호 작용하는 방식에 어떤 영향을 미치는지 이해해야 한다"고 설명했다. 그는 "우리는 이제 겨우 표면을 긁었을 뿐이다"라면서 "폴리스티렌은 다양한 입자 중 하나일 뿐이다. 실제 세계에서는 한 입자뿐만 아니라 여러 입자의 영향을 동시에 받는다"라고 지적했다. 미세 플라스틱과 나노 플라스틱이 세포 건강에 미치는 영향에 대한 욘템의 새로운 메타 분석에서도 미세 플라스틱에 대한 연구는 특정 유형의 플라스틱에만 집중하는 경향이 있는 것으로 나타났다. 욘템은 플라스틱 종류와 플라스틱 농도 측면에서 실제 환경을 더 잘 모방하는 실험이 시급히 필요하다고 설명했다. 그녀는 "연구자들은 일상적인 플라스틱 병에서 나오는 미세 플라스틱과 나노 플라스틱을 사용해 연구를 시작해야 한다"고 말했다. 참고 자료: 브린작-슈라이버 외, 화학, 2024, DOI: 10.1016/j.chemosphere.2024.141463 F D 옌템과 M A 아바브, 캠브리지 프리즘: 플라스틱, 2024, DOI: 10.1017/plc.2024.6
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- 생활경제
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미세 플라스틱, 세포 분열 중에 딸세포로 전달
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[신소재 신기술(21)] 홍게껍질로 반도체 및 에너지 저장 기능 갖춘 나노시트 개발
- 일본 과학자들이 홍게의 껍질에 포함된 키토산으로 만든 나노섬유에서 반도체와 에너지 저장 특성을 발견했다. 26일(이하 현지시간) 뉴스마이네비에 따르면 일본 도호쿠대학(東北大學) 연구팀은 홍게 껍질에 포함된 불용성 식이섬유의 일종인 '키토산'으로 만든 나노섬유(ChNF) 조직을 제어해 만든 나노미터 두께의 시트 소재에서 반도체 특성과 에너지 저장 특성을 나타내는 것을 발견했다고 25일 밝혔다. 이번 성과는 도호쿠대 미래과학기술공동연구센터 후쿠하라 미키오 학술연구원, 동 대학 하시타 토시유키 특임교수, 도쿄대 이소카이 아키라 특임교수 등의 공동연구팀에 의해 이루어졌다. 연구 결과는 미국 물리학 협회에서 발행하는 학술지 'AIP-Advances'에 게재됐다. 이번 연구는 친환경적인 반도체와 에너지 저장 소재 개발에 기여할 것으로 기대된다. 반도체는 실리콘으로 대표되는 원소 반도체와 갈륨비소(GaAs) 및 '파이(π) 공액 고분자'와 같은 화합물 반도체로 크게 두 가지로 분류된다. 두 반도체 모두 광물이나 인공 화합물에서 금속을 정제해 만드는데, 생산 과정에서 많은 양의 에너지가 필요하고 환경에 미치는 영향이 크다. 연구팀은 절연체로 인식되는 종이와 셀룰로오스의 나노 크기 미세 구조체인 케나프 식물에서 추출한 셀룰로오스 나노섬유(Cellulose Nanofibers·CNF)를 이용해 전하 분포와 전자 이동을 측정했다. 그 결과, '템포 산화 CNF(TEMPO-oxidized CNF, TEMPO 촉매를 사용해 산화 처리된 셀룰로오스 나노섬유)'는 고전압 단시간 충전 특성을, CNF는 n형 음의 저항을 나타내는 n형 반도체의 다양한 특성을 발견했다. 이 연구에서는 식물 셀룰로오스와 분자 구조가 유사하고 지구상에서 두 번째로 풍부한 바이오매스 화합물인 동물성 키토산에 초점을 맞췄다. 연구팀에 따르면, 키토산에는 케나프(CNF)에서 발현되지 못했던 고속 충전 특성이 발견됨과 동시에 액체 누출 등의 문제를 극복할 수 있는 고체형 축전지를 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있는 것으로 밝혀졌다. 또한 키토산과 같은 자연 유래의 해양 바이오매스 소재를 반도체, 에너지 저장 분야에 활용할 수 있다면 폐기물을 줄여 자원순환형 사회 조성에 기여할 수 있다. 이번 연구에서는 홍게 껍질로 만든 키토산 나노섬유(ChNF)를 대표적인 동물성 소재로 활용하고, 섬유 길이를 300nm 이하로 제어한 ChNF 시트에 Al 전극을 부착한 소자를 제작했다. ChNF 시트 소자의 I(전류)-V(전압) 특성, AC(교류) 임피던스, 주파수 분석, 축전성을 측정한 결과, 전압 제어에 의한 전압 유도 반도체와 같은 특성이 나타나는 것을 확인했다. 또한, ChNF 시트의 -210~+80V 범위에서 동작 속도 1.24V/s의 승강 전압에 대한 I-V 특성에서 음전압 영역에서 전류의 전압 의존성이 역전되는 거동, 이른바 n형 반도체 특성을 보였다. 즉, I-V 특성은 옴의 법칙을 따르지 않고, 전압 상승에 따라 일정 전압 이상에서 전류가 감소하는 음극 저항이 발현된 것이다. 반면, R(저항)-V(전압) 특성을 분석한 결과, 승압 -1V~0V, 강압 +2V~0V 사이에서 3자리 스위칭 효과를 보이는 특성이 관찰됐다. 또한 10~500V에서 2mA의 전류로 5초간 충전한 후 1μA의 정전류로 방전했을 때 충전 전압 대비 저장 용량의 변화를 조사한 결과, 전압 증가에 따라 저장 용량이 선형적으로 증가하며 450V부터 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 다음으로 ChNF 시트의 AC 임피던스 특성을 측정한 결과, 저저항과 고저항의 두 개의 반원을 가진 나이키스트 선도(The Nyquist diagram)를 얻었다. 두 개의 반원은 원자간력 현미경 이미지 관찰을 통해 각각 120~350nm의 바늘 모양과 구형으로 이루어진 갑각류 외골격과 세포벽 조직의 기여하는 것으로 추론했다, 이 나이키스트 선도의 특성으로부터 ChNF 시트는 직류와 교류 영역에서 동일한 회로를 가질수 있음을 시사했다. 연구팀은 또한, 반도체 특성의 전자의 기원을 규명하기 위해 ESR 분석을 시도했다. 전자의 기원을 결정하는 단수 대칭의 피크를 관찰했고, 스펙트럼 강도의 선도가 횡축과 교차하는 자기장의 g값을 통해 키토산의 생성 전자는 비정질 키토산에서 발생하는 아미닐 라디칼(NH¯₂)에서 생성된 전자임을 확인했다. 연구팀은 이번 성과에 대해 "저밀도 경량 반도체 및 에너지 저장 장치 제작을 통해 천연 유래의 바이오 소재 자원을 활용함으로써 지구의 생물 순환 시스템을 활용한 바이오 일렉트로닉스가 발전할 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다.
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[신소재 신기술(21)] 홍게껍질로 반도체 및 에너지 저장 기능 갖춘 나노시트 개발
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수돗물 끓이면 미세플라스틱 해결 가능⋯생수 1리터에 24만개 플라스틱 입자 함유
- 수돗물을 끓여 마시는 것이 미세 플라스틱을 제거할 수 있는 해결책이 될 수 있다는 연구 결과가 발표됐다. 지난 2월 28일(현지시간) 미국 매체 더 힐에 따르면 뉴욕주 컬럼비아 대학 연구원들이 수돗물을 끓이면 물에 존재하는 가장 일반적인 세 가지 플라스틱 화합물(폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌)의 최소 80% 이상을 분해할 수 있음을 밝혀냈다. 이 연구 결과는 이미 동아시아 국가에서 흔히 사용하는 끓인 수돗물을 마시는 것이 플라스틱 병에 든 물을 마시는 것보다 더 안전할 수 있음을 시사한다. 컬럼비아 대학의 연구팀은 지난 달 연구에서 플라스틱 병에 든 물 1 리터당 최대 25만 개의 나노 플라스틱 조각이 포함될 수 있다고 밝혔다. 연구팀은 지난 1월 생수 내 나노입자의 화학 구조를 관찰, 계산, 분석할 수 있는 새로운 기술을 개발했다. 이 기술에 대한 연구 결과는 '미국 국립과학원 회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)' 저널에 1월 8일 발표됐다. 당시 연구에 따르면, 표준 크기의 생수 1리터의 물에는 평균 24만 개의 플라스틱 입자가 포함되어 있으며, 이 중 90%가 나노플라스틱으로 구성되고 나머지 10%는 마이크로플라스틱으로 확인됐다. 나노입자는 그 크기가 매우 작아 현미경으로는 볼 수 없는 것으로 알려져 있다. 전문가들은 인간 머리카락의 평균 너비보다 1000배 더 작은 나노플라스틱이 소화기관이나 폐 조직을 통해 혈류로 이동, 전신과 세포에 잠재적으로 유해한 화학 물질을 퍼뜨릴 수 있다고 경고했다. 미세 플라스틱은 0.2인치(약 5mm) 미만에서 2만 5000분의 1인치(약 1마이크로미터)에 달하는 다양한 크기의 폴리머 조각을 말한다. 이보다 훨씬 작은 나노플라스틱은 10억분의 1미터(나노미터) 단위로 측정된다. 이 연구를 이끈 팀은 미국에서 판매되는 인기 있는 생수 브랜드 세 개에서 리터당 300개가 아닌 11만 개에서 37만 개 사이의 실제 플라스틱 조각이 포함되어 있다는 것을 발견했다. 그러나 연구자들은 어떤 브랜드의 생수를 분석했는지 구체적으로 밝히지 않았다. 공동 저자이자 환경 화학자인 컬럼비아 대학교 라몬트-도허티 지구 천문대의 부교수인 베이잔 얀(Beizhan Yan)은 지난 1월CNN에 "이 새로운 기술을 통해 실제로 물속에서 수백만 개의 나노 입자를 볼 수 있었으며, 이는 무기 나노 입자, 유기 입자 및 우리가 조사한 7가지 주요 플라스틱 유형 외에도 다른 플라스틱 입자일 수 있다고 말했다. 끓인 물, 플라스틱 제거 효과 컬럼비아 대학교 연구팀은 이번에는 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등 물에서 발견되는 세 가지 화합물에 대한 끓인 물의 영향을 조사했다. 이 화합물들은 완전히 분해되지 않기 때문에 바이러스 크기와 비슷한 나노 플라스틱으로 분해되어 인체 세포 기관과 장벽을 통과하며 위해를 끼칠 수 있다. 테스트된 화합물 중 가장 우려되는 것은 장에 염증을 일으키고 적혈구를 죽일 수 있는 폴리스티렌이다. 나머지 두 가지 화합물은 대체로 안전하다고 여겨지지만, 내분비학자들은 플라스틱의 안전성 여부를 판단하는 방법론에 심각한 문제가 있다고 주장했다. 연구에서 과학자들은 이 세 가지 플라스틱 화합물을 탄산 칼슘과 마그네슘 함량이 높은 미국 일반적인 담수 유형인 "경수"에 넣었다. 이러한 화합물은 주로 탄산 칼슘으로 구성된 지하 석회암 퇴적층의 공동에서 뽑아낸 지하수의 특징이다. 플라스틱이 포함된 물을 끓이면 이 탄산칼슘이 대부분의 미세 플라스틱 주위에 작은 덩어리를 형성하여 플라스틱을 캡슐화하고 무해하게 만든다. 연구 보고서는 "이 간단한 끓인 물 전략은 가정 수돗물에서 나노 및 미세 플라스틱(NMP)을 '제염'할 수 있으며 수돗물 섭취를 통한 인체 섭취를 무해하게 완화시킬 수 있는 잠재력이 있다"고 기술했다. 모든 플라스틱 폴리머 제거가 과제 하지만 이 연구에는 상당한 한계가 있다. 과학자들은 세 가지 가장 일반적인(폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 경우 가장 안전한) 플라스틱 폴리머만 조사했다. 지난달 연구에서 병에 든 물에서 발견된 심각한 우려 대상인 염화비닐은 연구에 포함되지 않았다. 또한 물을 끓여도 모든 폴리머를 제거하지 못했다. 내분비학회는 지난 26일 보고서에서 플라스틱 입자는 많은 중요한 생물학적 시스템을 실행하는 화학 메신저와 매우 유사하고 이러한 시스템은 매우 민감하기 때문에 안전한 노출 수준이 없을 수 있다고 밝혔다. 게다가 내분비학회와 같은 과학자들은 플라스틱 화합물 자체를 넘어서는 위험 외의 사항에 주목하고 있다. 이러한 폴리머는 종종 내분비, 순환 및 생식 시스템에 피해를 입힐 수 있는 BPA, PFAS 및 프탈레이트와 같은 '가소제'와 혼합된다는 사실에 점점 더 초점을 맞추고 있는 것. 끓는 물로 이러한 물질이 분해되는지는 확실하지 않다. 이 연구는 플라스틱 폴리머만 조사했을 뿐 이러한 잠재적 첨가제는 조사하지 않았다. 또한 물을 끓여서 미세플라스틱을 제거하는 방법을 사용하려면 경수 또는 탄산칼슘을 첨가해야 하는데, 이는 보편적이지 않은 방법이다. 그럼에도 불구하고 지난달 생수 속 미세 플라스틱에 대한 연구 결과를 종합하면, 이본 연구는 적어도 일부 형태의 플라스틱 오염으로부터 보호하는 방법에 대한 잠재적인 해답을 제시했다. 이번 연구는 2월 28일 '환경 연구 편지(Environmental Research Letters)'에 게재됐다.
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수돗물 끓이면 미세플라스틱 해결 가능⋯생수 1리터에 24만개 플라스틱 입자 함유
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KAIST, 뼈 손상 치료에 혁신적 '뼈 반창고' 신소재 개발
- 국내 과학자들이 금이 간 뼈 조직의 성장을 촉진하는 '뼈 반창고' 역할을 할 수 있는 신소재를 개발했다. 뼈 재생은 복잡하고 기존의 골 이식 및 성장 인자 전달 등과 같은 재생을 할 경우, 높은 단가 발생 등의 한계가 있었다. 한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 전남대학교 융합바이오시스템기계공학과 김장호 교수 연구팀과 협업을 통해 하이드록시아파타이트(HAp)의 고유한 골 형성 능력을 활용해 압력을 가했을 때 전기적 신호가 발생하는 압전 생체 모방 지지체를 개발했다다고 25일 발표했다. 하이드록시아파타이트는 뼈나 치아에서 발견되는 염기성 인산칼슘으로 생체 친화적인 특징이 있으며, 충치를 예방하는 특성이 있어 치약에도 쓰이는 미네랄 물질이다. 이전의 압전 지지체 관련 연구들은 압전성이 뼈 재생을 촉진하고 골 융합을 향상하는 효과를 다양한 고분자 기반 소재에서 확인했지만, 최적의 골조직 재생에 필요한 복잡한 세포 환경을 모사하는 데 한계가 있었다. 그러나 이번 연구에서는 하이드록시아파타이트 고유의 골 형성 능력을 활용해 생체의 골조직 환경을 모방하는 소재를 개발해 새로운 방법을 제시했다. 홍승범 교수 연구팀 소속 주소연 박사과정 학생과 김소연 석사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 2024년 1월 4일 국제학술지 '응용재료와 표면(ACS Applied Materials & Interfaces)'에 게재됐다. 연구팀은 하이드록시아파타이트를 고분자 필름과 융합하는 제조 공정을 개발했다. 이 공정으로 제작된 유연하고 독립적인 지지체는 실험 쥐를 대상으로 한 체외 및 체내 실험에서 뼈 재생을 가속하는 놀라운 잠재력을 입증했다는 것이 연구팀의 설명이다. 또한, 연구팀은 동 지지체의 골 재생 효과의 원인을 다각도로 밝혀냈다. 원자간력 현미경(AFM) 분석을 통해 지지체의 전기적 특성을 조사했으며, 세포 모양과 세포 골격 단백질 형성에 대한 상세한 표면 특성 평가를 진행했다. 또한, 압전과 표면적 요소가 성장 인자 발현에 어떤 영향을 미치는지 조사했다. 홍승범 신소재공학과 교수는 "뼈의 재생 속도를 가속화시키는 효과를 통해 '뼈 반창고' 같은 역할을 하는 하이드록시아파타이트 융합 압전성 복합소재를 개발했다"며, "이번 연구는 생체 재료 설계에 새로운 방향성을 제시하는 데에 그치지 않고, 압전성과 표면적 특성이 뼈 재생에 미치는 영향을 탐구한 데에 의의가 있다"고 강조했다. 압전성이란 물질에 변형이나 응력을 가하면 전기적인 분극이 발생하거나, 반대로 물질을 전자장에 두면 변형이나 응력이 발생하는 현상이다. 한편, 지난해 11월 카톨릭대 은평성모병원 정형외과 박형열 교수와 서울성모병원 정형외과 김영훈 교수 연구팀은 척추 골절을 입은 환자에게 수술로 '골형성 단백질'을 주입하면 빠르게 뼈를 재생 시킬 수 있다는 사실을 입증했다. 골형성 단백질은 척추와 치아 등 손상 부위의 뼈 재생 속도를 높이는 성장인자인데, 다양한 임상 분야에서 활용 범위가 확대되고 있다. 최근 연구에서는 퇴행성 척추 질환에 척추 유합술을 할 때 골형성 단백질을 사용하면 유합률이 100%에 가까운 것으로 나타났다. 척추 유합술은 골절이나 퇴행성 질환 등 척추에 발생하는 여러 종류의 병변을 치료하기 위해 시행되는 수술이다. 그동안 척추 골절 치료 분야에서 골형성 단백질을 활용해 뼈 재생을 촉진하는 결과를 확인한 연구는 없었는데 이번 연구를 통해 학계 최초로 같은 효과가 있다는 것을 증명했다.
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- IT/바이오
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KAIST, 뼈 손상 치료에 혁신적 '뼈 반창고' 신소재 개발
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식물도 소통한다? 일본 과학자, 영상으로 증명
- 일본 과학자들이 식물들이 서로간에 위험 상황을 경고하는 장면을 촬영하는데 성공했다. 사진=영화 아바타 1 스틸 컷 일본 과학자들은 식물이 잠재적인 위험에 대해 실시간으로 다른 식물에게 알리고 경고하는 현상을 성공적으로 촬영했다. 이는 1980년대 초에 처음 기록된 현상에 대한 중요한 발전이다. 지난 17일 야후에 따르면, 일본 사이타마 대학의 분자생물학자 도요타 마사츠구가 이끄는 연구팀은 식물이 기계적 손상이나 곤충 공격에 반응하여 생성되는 휘발성 유기화합물(VOCs)을 감지하고 근처의 다른 식물에 방어 반응을 보내는 것을 포착했다. 이 연구 결과는 지난해 10월 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 저널에 게재됐다. 사이타마 대학의 박사과정 학생인 유리 아라타니(Yuri Aratani)와 박사 후 연구원 타쿠야 우에무라(Takuya Uemura)로 구성된 연구팀은 애기장대(Arabidopsis thaliana) 식물의 의사소통 과정을 성공적으로 연구했다. 이들은 나뭇잎과 애벌레가 들어있는 용기와 겨자과의 흔한 잡초인 애기장대를 담은 다른 방에 공기 펌프를 설치했다. 애기장대는 스트레스 전달자 역할을 하는 칼슘 이온을 감지한 후 세포가 형광 녹색을 띠도록 유전자 변형됐다. 이후 연구팀은 형광 현미경을 사용해 손상되지 않은 식물이 손상된 잎에서 방출된 VOCs에 반응하는 과정을 관찰했다. 이 연구는 식물들이 위협을 감지하고 의사소통하는 방법에 대해 새로운 이해를 제공했다. 식물의 의사소통은 1983년 한 연구에서 처음으로 관찰되었고, 그 이후로 과학계에서 논의에 불을 붙였다. 도요타 마사츠쿠는 최신 연구에 대해 "우리는 마침내 식물이 언제, 어디서, 어떻게 위협을 받는 이웃 식물의 공기 중 '경고 메시지'에 반응하는지에 대한 복잡한 이야기를 밝혀냈다"며 "우리 눈에 보이지 않는 이 미묘한 통신 네트워크는 임박한 위협으로부터 이웃 식물을 적시에 보호하는 데 중추적인 역할을 한다"라고 말했다. 이는 식물 의사소통에 관한 연구에서 중요한 발전을 의미하며, 식물이 위험을 감지하고 정보를 공유하는 방식에 대한 새로운 이해를 제공한다.
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- 생활경제
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식물도 소통한다? 일본 과학자, 영상으로 증명
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나노봇, 남성 방광암 종양 90% 제거⋯기존 치료법의 혁신
- 나노로봇을 이용해 방광암을 90% 이상 줄일 수 있는 치료 방법이 개발됐다. 방광암은 주로 60~70대에서 발병하며, 방광 내에 악성 세포가 형성되는 질환으로 알려져 있다. 이 질환은 남성에게서 여성보다 34배 더 높은 발병 위험을 보이며, 비뇨기계 암 중 가장 흔한 형태로 알려져 있다. 또한 방광암은 대부분 5년 이내에 재발한다. 현재는 절제 수술이나 전신 혹은 국소적인 항암제 투여를 통한 치료가 진행되고 있으나, 높은 재발률로 인해 지속적인 관리가 요구되는 상태이다. 그러나 최근 나노로봇 기술의 발달로 방광암 종양을 현저히 줄일 수 있는 새로운 치료방법이 개발됐다. 영국 매체 데일리메일은 스페인 바르셀로나의 과학자들이 개발한 450나노미터 크기의 작은 로봇이 혈류를 통해 이동하면서 치료제를 전달하는 방식으로 방광암의 종양을 줄일 수 있다고 보도했다. 쥐를 대상으로 한 실험에서는 이 작은 나노로봇이 단 한 번의 시도로 종양의 크기를 줄임으로써, 여러 번의 치료 절차 없이도 종양을 제거할 수 있는 가능성을 보여줬다. 현재 방광암 치료법은 수술과 화학 요법을 포함하며, 종양의 크기를 줄이기 위해 약 4~6번의 병원 방문이 필요하다. 이 과정은 환자에게 약 6만5000달러(한화 약 8690만원) 이상의 치료 비용을 발생시킬 수 있다. 그러나 최근의 연구에 따르면, 나노로봇을 사용한 새로운 치료법은 단 한 번의 병원 방문만으로도 종양의 크기를 줄일 수 있다. 이번 혁신적인 연구는 카탈로니아 생명공학연구소(IBEC)와 스페인 생체재료연구센터(CIC biomaGUNE)의 과학자들이 생물의학연구소(IRB 바르셀로나), 바르셀로나 자치대학(UAB)과 함께 공동으로 수행했다. 나노로봇의 직경은 450나노미터이며, 배율을 2000만 배로 높여야 볼 수 있는 크기다. 개발된 나노로봇의 직경은 불과 450나노미터로, 이는 2000만 배 확대해야만 볼 수 있는 극히 작은 크기다. 이 로봇은 표면이 금 나노 입자(AuNP)로 덮여 있어, 연구원들이 로봇이 혈류를 통해 어떻게 이동하고 종양을 공격하는지 관찰할 수 있었다. 연구팀은 방광암을 앓고 있는 쥐의 혈류에 나노로봇을 주입한 후, 이 금색 기계가 작동하여 종양에 도달하고 몸 전체로 퍼지는 과정을 관찰했다. 이 나노로봇은 실리카 구체로 설계되었으며, 효소 우레아제와 방사성 요오드를 포함하는 다양한 구성 요소를 가지고 있다. 우레아제는 소변의 요소와 반응해 나노로봇의 움직임을 촉진시키며, 방사성 요오드는 암 세포를 치료하는 데 사용된다. 연구팀은 나노로봇이 종양 주변의 세포외 기질을 분해하고 pH 균형을 변화시켜 조직의 기계적 특성을 변화시킨다는 사실을 발견했다. 나노로봇이 요로 조직에 도달하면, 이는 마치 벽에 부딪히는 것처럼 행동한다. 그러나 종양의 해면 같은 구조로 인해, 나노로봇은 종양 내부로 흡수되어 방사성 요오드를 전달했다. 이 방사성 요오드는 국소 종양 및 갑상선암 치료에 일반적으로 사용되는 방사성 동위원소로, 암 세포를 효과적으로 치료하는 데 사용된다. 연구팀은 나노로봇이 종양 내부로 어떻게 진입할 수 있는지에 대해 초기에는 명확하지 않았다며 나노로봇이 종양의 성장을 감지하는 특정 항체가 부족하고, 일반적으로 건강한 조직보다 더 단단한 종양 조직의 특성 때문에 진입이 어려울 수 있다고 지적했다. 이 연구의 공동 제1저자이자 IBEC의 연구원인 메리트셀 세라 카사블랑카(Meritxell Serra Casablancas) 박사는 "그러나 우리는 나노로봇이 자체 추진 화학 반응을 통해 pH를 국부적으로 증가시킴으로써 종양의 세포외 기질을 분해할 수 있다는 사실을 관찰했다"고 말했다. 그는 "이 과정은 종양 내부로의 침투를 촉진했으며, 나노로봇이 종양 내에 우선적으로 축적되는 데 도움을 주었다"고 덧붙였다. 방광암 치료의 초기 회복률은 대체로 성공적이지만, 환자의 약 30~70%에서 종양이 재발해 추가 치료와 비용이 필요한 경우가 있다. 또한 약 10~30%의 환자에서는 종양이 더 진행될 수 있다. IRB 바르셀로나 어드밴스드 디지털 현미경 플랫폼의 리더인 줄리엔 콜롬벨리(Julien Colombelli) 박사는 "우리 팀이 개발한 혁신적인 광학 시스템은 종양 자체에 의해 반사된 빛을 제거함으로써, 전례 없는 해상도로 사전 표지 없이도 기관 전체에서 나노입자를 식별하고 위치를 정확하게 찾을 수 있도록 도와주었다"고 설명했다. 미국 국립암연구소(National Cancer Institute)의 자료에 따르면, 방광암 치료 비용은 2015년의 84억 달러(약 11조 2434억 원)에서 2020년 현재 약 94억 달러(약 12조 5819억 원)로 증가했다. 나노로봇 연구를 진행한 과학자들은 아직 나노로봇 치료가 종양의 재발을 방지할 수 있는지 확신할 수 없지만, 나노로봇의 성공 여부에 따라 장기적인 효과를 평가하기 위한 추가 연구를 이미 진행하고 있다. 이 연구의 공동 저자인 크리스티나 시모(Cristina Simó) 박사는 "이 연구 결과는 치료 효과를 증대시킬 수 있는 다른 방사성 동위원소의 사용 가능성을 탐구하는 새로운 길을 열었다"고 말했다. 한편, 한국은 약 20여 년 전인 2013년, 세계 최초로 암 치료를 위한 나노로봇을 개발했다. 이 나노로봇은 진단과 치료를 동시에 수행할 수 있는 능동형 박테리아를 활용한 것으로, 그 당시 세계 최초의 능동형 나노로봇으로 인정받았다. 이 나노로봇, 일명 '박테리오봇'은 박테리아의 특성인 인식 능력과 운동성을 활용하여 암을 타겟팅하고, 약물 전달체와 결합된 치료 성능을 가진 새로운 개념의 의료 나노로봇이다. 이러한 통합적인 접근 방식은 박테리오봇이 암 세포를 정확하게 인식하고, 적극적으로 치료제를 전달할 수 있게 함으로써, 당시 의학 분야에서 중요한 혁신으로 평가됐다.
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나노봇, 남성 방광암 종양 90% 제거⋯기존 치료법의 혁신
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레이저 가공 HEA, 3D 프린팅으로 강도·연성 향상
- 최근 레이저와 3D 프린팅 기술을 활용해 강도가 높고 유연성을 갖춘 새로운 형태의 합금을 개발하는 데 성공했다. 합금이란, 기본 금속에 다른 금속을 섞어 고온에서 녹인 후 식혀 만들어진, 원래 금속과는 다른 성질을 가진 새로운 금속 물질을 말한다. 이러한 합금을 제작하는 주된 목적은 기계적 성질을 개선하고, 부족한 특성을 보완하여 금속의 기능을 증진시키기 위함이다. 과학기술 전문 매체 사이테크데일리(SciTechDaily)는 레이저 기반 적층 제조 방식을 이용하여 더 강력하고 파손 가능성이 낮은 고엔트로피 합금(HEA)을 만드는 방법을 소개했다. '고엔트로피 합금(HEA:High entropy alloys)'은 기존의 합금 제조 방식과 비교했을 때 뛰어난 강도와 내구성을 제공하며, 합금의 적용 범위를 확장시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다. HEA는 심각한 마모, 극한의 온도, 방사선 및 높은 압력과 관련된 응용 분야에서 사용가능하다. 3D 프린팅, 또는 적층 가공(AM)으로 알려진 기술을 사용해 만들 수 있는 합금은 일반적으로 연성이 부족하다는 단점을 가지고 있다. 이는 3D 프린팅을 통해 제작된 고엔트로피 합금이 형태를 유지하는 데 어려움을 겪고, 하중을 받을 때 충분히 변형되거나 늘어나지 않아 쉽게 파손될 수 있다는 것을 의미한다. 그러나 최근 과학자들은 레이저 기반의 적층 가공 방식을 사용하여, 이러한 연성 문제를 개선한 더욱 강하고 연성이 뛰어난 고엔트로피 합금을 개발하는 데 성공했다. 이들은 이러한 성능 향상의 기본 메커니즘을 더 깊이 이해하기 위해 중성자와 X선 산란, 그리고 전자 현미경과 같은 고급 분석 기술을 활용했다. 이러한 연구 결과는 3D 프린팅 합금의 사용 범위를 확장하고, 그것이 적용될 수 있는 산업 분야를 다양화하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 연성과 강도가 모두 향상된 새로운 형태의 합금은 더욱 까다로운 응용 분야에서도 활용될 수 있을 것으로 전망된다. 잠재적인 산업 응용과 에너지 효율성 산업계는 미래에 제조 과정에서 더욱 강력하고 형태를 쉽게 잡을 수 있는 고엔트로피 합금을 사용 가능할 것으로 기대하고 있다. 이러한 HEA를 산업 응용 분야에 사용하기 위해서는 가벼우면서도 복잡한 형태의 HEA 부품에 대한 높은 내구성, 신뢰성, 그리고 파손 저항성이 요구된다. 새로운 합금은 더 안전하고 연료 효율적인 차량의 제조, 더 강한 제품의 생산, 그리고 더 오래 지속되는 기계의 개발을 가능하게 하여, 소비자와 산업계 모두에 혜택을 가져올 것으로 기대된다. 또한, 레이저를 사용하여 분말 합금을 고체 금속 형태로 융합하는 레이저 기반의 적층 가공 방식은 에너지 효율성이 매우 높다는 점에서, 새로운 유형의 HEA 생산에 있어 매력적인 방법으로 여겨진다. 이는 에너지 소비를 줄이면서도 고품질의 합금 부품을 생산할 수 있는 방법으로, 지속 가능한 제조 및 공정 효율성 측면에서 중요한 역할을 할 것으로 예상된다. 나노 라멜라 구조와 기계적 특성 레이저 기반 적층 가공 공정은 나노미터 두께의 나노 라멜라(얇은 판층) 구조를 생산할 수 있다. 이 공정은 높은 강도를 제공하면서도, 나노 라멜라의 뚜렷한 가장자리가 일정 수준의 미끄러짐(연성)을 허용하여 유연성을 보장한다. 이러한 나노 라멜라는 평균 약 150나노미터 두께의 면심 입방체(FCC) 결정 구조와 평균 약 65나노미터 두께의 체심 입방체(BCC) 결정 구조의 교차 층으로 구성된다. 개발된 새로운 고엔트로피 합금은 약 1.3기가파스칼(인장강도 단위)의 높은 항복 강도를 나타내며, 이는 가장 강한 티타늄 합금의 강도를 능가하는 수준이다. 또한, 이 HEA는 약 14%의 연신율을 제공하는데, 이는 동일한 항복 강도를 가진 다른 AM 금속 합금보다 높은 수치다. 연신율은 재료가 파손되지 않고 얼마나 많은 굽힘을 견딜 수 있는지를 나타내는 지표로, 재료의 유연성과 내구성을 측정하는 중요한 요소다. HEA 첨단 연구기술 및 시설 한편, 미국 테네시주에 위치한 오크리지 국립연구소(ORNL: Oak Ridge National Laboratory)의 연구원들은 에너지부(DOE) 산하 과학 사용자 시설인 파쇄 중성자원(Spallation Neutron Source)을 통해 변형 상태에서 HEA 샘플의 내부 기계적 부하 분배를 조사할 수 있었다. 이 시설의 중성자 데이터는 합금 내부의 상세한 구조적 정보를 제공함으로써 HEA의 기계적 특성에 대한 깊은 이해를 가능하게 했다. 또한, 연구팀은 ORNL 내의 다른 DOE 과학 사용자 시설인 나노입자 재료 과학(Nanophase Materials Sciences) 센터에 위치한 원자 프로브 장비를 활용하여, 교대로 층을 이루는 나노 라멜라 구조 및 미세 구조의 상세한 3D 이미지를 캡처했다. 이와 별개로, 미국 일리노이주에 위치한 시카고 아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory)의 첨단방사광가속기(Advanced Photon Source)는 어닐링 과정을 거친 다양한 HEA 샘플의 단계를 연구하는 데 사용되었다. 이 시설에서의 X선 회절 분석은 합금의 열처리 과정이 그 성질에 어떻게 영향을 미치는지를 평가하는 데 중요한 역할을 했다. 미국 내 첨단 연구기술 및 시설의 활용은 HEA의 개발과 응용에 있어 중요한 도약점을 제공하며, 합금의 구조적 및 기계적 특성에 대한 포괄적인 이해를 가능하게 한다. 이러한 첨단 연구는 HEA의 미래 적용 가능성을 확장하고, 재료 과학 분야에서의 혁신적 발전을 촉진할 것으로 기대된다. 연구소들의 고도화된 기술과 시설은 재료의 기본 구조부터 그 성능에 이르기까지 광범위한 분석을 허용함으로써, 합금의 특성을 극대화하고 다양한 산업 분야에 적용할 수 있는 새로운 기회를 열어준다.
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레이저 가공 HEA, 3D 프린팅으로 강도·연성 향상
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생수 속 나노플라스틱, 리터당 수천 개…체내 침범 우려
- 연구원들이 생수 속에서 이전 추정치보다 10~100배 더 많은 플라스틱 조각이 포함되어 있다는 사실을 발견했다고 CNN이 8일(현지시간) 보도했다. 미국 컬럼비아 대학의 연구원들은 생수에 있는 나노입자의 화학 구조를 보고, 계산하고, 분석할 수 있는 새로운 기술을 제시했다. 새로운 연구에 따르면, 표준 크기 생수 2개에 해당하는 1리터의 물에는 7가지 유형의 플라스틱에서 평균 24만 개의 플라스틱 입자가 포함되어 있으며, 이 중 90%는 나노플라스틱이고 나머지는 마이크로플라스틱인 것으로 확인됐다. 이 연구 결과는 미국 국립과학원 회보(Proceedings of the National Academy of Sciences) 저널에 이날 발표됐다. 나노 입자는 너무 작아서 현미경으로 볼 수 없다. 전문가들은 인간 머리카락 평균 너비의 1000분의 1인 나노플라스틱은 너무 작기 때문에 소화관이나 폐 조직을 통해 혈류로 이동하여 잠재적으로 유해한 합성 화학 물질을 몸 전체와 세포에 퍼트릴 수 있다고 지적했다. 미세 플라스틱은 0.2인치(5mm) 미만에서 2만5000분의 1인치(1마이크로미터)에 이르는 폴리머 조각이다. 그보다 더 작은 것은 10억분의 1미터 단위로 측정해야 하는 나노 플라스틱이다. 이 연구를 주도한 연구팀은 미국에서 판매되는 인기 생수 브랜드 3곳의 실제 플라스틱 조각 수가 리터당 300개가 아니라 11만 개에서 37만 개 사이라는 사실을 발견했다. 단, 저자들은 어떤 브랜드의 생수를 연구했는지는 언급하지 않았다. 공동 저자이자 환경 화학자인 컬럼비아 대학교 라몬트-도허티 지구 천문대의 부교수인 베이잔 얀(Beizhan Yan)은 "이 새로운 기술은 실제로 물속에서 수백만 개의 나노 입자를 볼 수 있었으며, 이는 무기 나노 입자, 유기 입자 및 우리가 연구한 7가지 주요 플라스틱 유형이 아닌 다른 플라스틱 입자일 수 있다"고 말했다. 이 연구는 나노 플라스틱이 인간 건강에 미치는 잠재적 위험을 탐구하는 새로운 방향을 제시했다. '건강한 아기, 밝은 미래'라는 비영리단체의 연합체에서 일하는 연구 책임자 제인 헐리한은 이 연구에 직접 참여하지는 않았지만, 나노 플라스틱의 인간 건강에 대한 잠재적 위험을 더 깊이 이해하기 위한 추가적인 연구가 필요하다고 강조했다. 이 단체는 아기들이 신경독성 화학물질에 노출되는 것을 줄이기 위해 노력하는 과학자들과 기부자들로 구성되어 있다. 헐리한은 "이 연구는 미세 플라스틱 입자에 대한 광범위한 인체 노출이 거의 연구되지 않은 위험을 초래할 수 있음을 시사한다"고 말했다. 그녀는 "특히 영유아가 이러한 위험에 가장 크게 노출될 수 있는데, 그 이유는 영유아의 발달이 더디기 때문"이라고 덧붙였다. 펜실베이니아주립대 베렌드 캠퍼스의 지속가능성 책임자인 셰리 '샘' 메이슨(Sherri 'Sam' Mason)은 이 연구에 참여하지 않았지만, "이 연구는 인상적이며, 투입된 노력이 매우 심오하다. 나는 이를 획기적이라고 부르고 싶다"라고 평가했다. 이 새로운 발견은 수돗물 유해 물질 노출을 줄이기 위해 유리나 스테인리스 스틸 용기에 담긴 수돗물을 마시라는 오랜 전문가의 조언을 강조한다고 메이슨은 말했다. 이러한 조언은 플라스틱으로 포장된 다른 음식과 음료에도 적용된다고 그녀는 덧붙였다. 메이슨은 9개국 11개 브랜드에서 판매되는 생수 샘플의 93%에서 마이크로플라스틱과 나노 플라스틱의 존재를 처음으로 발견한 2018년 연구의 공동 저자였다. 과거 연구에서 메이슨은 오염된 물 1리터에 인간의 머리카락보다 넓은 평균 10개의 플라스틱 입자와 300개의 작은 입자가 포함되어 있음을 발견했다. 그러나 5년 전인 2018년 기술로는 그 작은 입자를 분석하거나 더 많은 것이 있는지 알아낼 방법이 없었다. 메이슨은 "우리가 나노플라스틱의 존재를 몰랐던 것은 아니다. (당시) 우리는 그것들을 분석할 수 없었다"라고 설명했다. 나노 플라스틱, 인간 건강 위협 전문가들은 나노 플라스틱이 인류 건강에 가장 큰 위협을 주는 플라스틱 오염 유형 중 하나로 지목하고 있다. 이는 나노 플라스틱의 미세 입자가 주요 기관의 세포와 조직을 침입해 세포 활동을 방해하고, 비스페놀, 프탈레이트, 난연제, 과불소화 물질(PFAS), 중금속 등의 내분비 교란 화학물질을 축적할 수 있기 때문이다. 러트거스 대학교 어니스트 마리오 약학대학의 독성학 박사이자 약리학 부교수인 피오피 스태플튼(Phoebe Stapleton) 박사는 쥐를 대상으로 한 연구에서 임신한 쥐가 플라스틱 입자를 섭취하거나 흡입한 후 24시간 만에 그들의 태아의 뇌, 심장, 간, 신장 및 폐에서 플라스틱 화학물질을 발견했다고 보고했다. 스태플튼 박사는 "이 시점에서 인간 태반에서 마이크로플라스틱과 나노 플라스틱이 발견됐다"고 말했다. 그는 "인간의 폐 조직과 인간의 대변, 인간의 혈액에서 (미세 플라스틱이) 발견됐다"고 덧붙였다. 생수에서 나노입자를 식별하는 새로운 연구 방법은 라만 분광법의 개선된 형태에 기반을 두고 있다. 이 기술은 분자가 빛에 반응하여 진동하는 방식을 측정함으로써 세포의 화학적 구성을 분석한다. 이 기술의 공동 발명자이자 컬럼비아 대학교 화학과 교수인 웨이 민(Wei Min) 교수는 “이 변형된 라만 분광법, 자극 라만 산란 현미경(SRS)은 두 번째 레이저를 추가해 이전에는 감지하기 어려웠던 나노입자를 여러 자릿수로 증폭된 신호를 통해 탐지할 수 있다"고 말했다. 민 교수는 2008년 SRS를 공동 개발했다. 민 교수는 "이 연구는 자극 라만 산란 현미경을 나노플라스틱 세계에 적용한 최초의 연구"라고 말했다. SRS는 이미지를 획기적으로 향상시킴으로써 기존 기술에서 몇 시간이 걸리던 나노 입자의 이미지를 마이크로초 단위로 명확하게 식별하고 캡처할 수 있으며, 촬영 대상 조직에 손상을 주지 않고도 이미지를 캡처할 수 있다. 해당 연구에서 개발된 알고리즘은 출판 당시 폴리아미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 그리고 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 포함한 일곱 가지 주요 플라스틱 유형을 식별할 수 있었다. 컬럼비아 대학교 화학 박사과정 학생이자 이 연구의 수석 저자인 나이신 치안(Naixin Qian)은 "다른 연구들을 통해 우리는 생수에 존재하는 대부분의 미세 플라스틱이 주로 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트) 병에서 누출된 것으로 추정했다"고 말했다. 다양한 유형의 플라스틱 존재 연구팀의 발견에 따르면, 플라스틱 물병 안에는 예상과 달리 다양한 유형의 플라스틱이 존재하며, 각 플라스틱 유형마다 입자 크기가 다르다. 연구팀은 "PET 플라스틱 입자는 크기가 컸지만, 다른 플라스틱 입자는 200나노미터에 불과해 훨씬 더 작았다"고 밝혔다. 연구에 따르면, PET 입자는 병 뚜껑을 반복적으로 여닫거나, 병이 파손되거나, 자동차 안에서 높은 온도에 노출될 때 부서질 수 있는 것으로 밝혀졌다. 컬럼비아 대학교 연구팀은 앞으로 생수에 떠다니는 나노 플라스틱의 출처를 더 깊이 연구할 계획이다. 이들은 나노 플라스틱이 제조 과정 중 오염된 원수에서 유래했을 가능성을 조사하고 있다. 한편, '건강한 아기, 밝은 미래' 재단의 헐리안은 과학이 이와 같은 문제를 탐구하는 동안 사람들이 플라스틱 노출을 줄이기 위해 취할 수 있는 조치들에 대해서도 밝혔다. 그녀는 "플라스틱 용기에 담긴 음식과 음료 섭취를 피하고, 천연 직물로 만든 옷을 입으며, 천연 소재의 소비자 제품을 구매하는 것이 좋다. 일상에서 플라스틱 사용을 줄이고 대안을 찾는 것이 중요하다"고 말했다.
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- 생활경제
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생수 속 나노플라스틱, 리터당 수천 개…체내 침범 우려
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美 뇌 노화 단백질 발견…기억력 개선 기대
- 미국 마운트 시나이(Mount Sinai) 대학 연구팀이 뇌 노화 관련 단백질을 발견했다고 발표했다. 이 단백질은 TIMP2(조직 억제제 메탈로프로테아제 2)로 불리며, 해마 영역에서 기억력과 학습에 중요한 역할을 한다. 사이테크데일리에 따르면 마운트 시나이 대학 연구팀은 돌연변이 마우스 모델을 사용하여 뇌 노화 단백질(TIMP2) 수치가 감소하면 해마의 가소성(plasticity)과 기억 기능이 감소한다는 것을 발견했다. 가소성은 뇌가 새로운 정보를 받아들이고 학습할 수 있는 능력을 말한다. 노화와 신경퇴행성 질환 노화는 알츠하이머병을 포함한 많은 신경퇴행성 질환의 가장 큰 위험 요인으로 알려져 있다. 마운트 시나이 연구팀과 다른 연구자들의 이전 연구는 TIMP2를 포함하여 젊은 혈액에 풍부한 단백질이 해마의 가소성 또는 기억과 관련된 신경 과정의 유연성에 영향을 미쳐 늙은 동물의 뇌 기능을 젊어지게 하는 데 활용될 수 있다는 것을 발견했다. 이러한 중요한 발견에도 불구하고 TIMP2가 분자 수준에서 해마의 가소성을 조절하는 방법에 대한 생물학에 대해서는 알려진 바가 거의 없었다. TIMP2의 분자 메커니즘 연구팀은 나이가 들면서 발생하는 것으로 알려진 혈액과 해마의 TIMP2 수치 손실을 모방한 돌연변이 쥐 모델을 사용했다. 또한 연구자들이 해마의 뉴런에 의해 발현되는 TIMP2 풀을 구체적으로 표적으로 삼고 삭제할 수 있는 모델을 만들었다. 이러한 모델은 RNA 염기서열 분석, 공초점 이미징, 초고해상도 현미경 및 행동 연구와 결합하여 TIMP2의 가소성 조절에 대한 상세한 분자 검사를 가능하게 했다. 연구진은 TIMP2의 손실은 해마에 세포외 기질 성분의 축적을 초래하며, 이는 성인으로 태어난 뉴런의 생성, 시냅스 무결성 및 기억을 포함한 가소성 과정의 감소와 함께 발생한다는 것을 알게 되었다. 세포외 기질은 세포 주변과 세포 사이의 구조적 미세환경을 구성하는 많은 고분자 구성 요소의 네트워크이다. 연구팀은 세포외 기질에 영향을 미치는 해마에 전달된 효소로 이 표현형을 직접 표적으로 삼았고, 감소된 TIMP2 설정에서 일반적으로 손상된 가소성 과정이 복원되었음을 발견했다. 뇌 노화 단백질 발견의 의의 이 연구는 세포외 기질을 조절하는 표적 과정이 뇌의 가소성을 개선하는 접근법을 설계하는 데 중요한 방향이 될 수 있음을 시사한다. 뇌 노화의 특징을 역전시킬 수 있는 잠재력을 가진 요인을 특성화하는 데 주력하고 있는 연구팀은 세포외 기질을 조절하는 TIMP2 이상의 분자를 탐구할 계획이며, 이 연구가 노화와 관련된 다양한 장애를 완화하는 맥락에서 이 분야를 어디로 가져갈 수 있는지에 대해 낙관적이다. 연구팀의 공동 저자인 조셉 칼스테로노(Joseph Castellano) 박사는 "TIMP2는 세포외 기질의 구성 요소를 통해 미세환경의 유연성을 변화시킨다"라고 말했다. 그는 "세포외 기질을 조절하는 경로를 연구하는 것은 가소성이 영향을 받는 질병에 대한 새로운 치료법을 설계하는 데 중요할 수 있다"고 덧붙였다. 연구팀은 앞으로 TIMP2가 뇌의 다른 영역에서 어떤 역할을 하는지, 그리고 TIMP2를 조절하는 방법으로 뇌 노화 관련 질환을 치료할 수 있는지 연구할 계획이다. 마운트 시나이 대학 연구팀의 이번 연구는 뇌 노화와 관련된 단백질이 뇌 가소성과 기억력에 미치는 영향을 밝힌 것으로 주목된다. 이 연구 결과는 알츠하이머병과 같은 노화 관련 질환의 치료법 개발에 새로운 가능성을 제시할 것으로 기대된다.
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- IT/바이오
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美 뇌 노화 단백질 발견…기억력 개선 기대
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美 MIT, 연필심 흑연에서 5층 능면체 적층 그래핀 개발
- 미국 MIT의 물리학자들이 연필심에 사용되는 흑연, 즉 그래파이트에서 새로운 형태의 그래핀을 개발했다는 소식이 전해졌다. 이 그래핀은 흑연의 5층 능면체 구조를 적층하여 제작됐다. 흑연은 탄소로 구성된 광물로, 연필심의 주요 성분이다. MIT 뉴스에 따르면, 연구팀은 5개의 얇은 층을 특정 순서대로 쌓아 천연 흑연에서 볼 수 없었던 중요한 세 가지 특성을 지닌 새로운 재료를 만들어냈다. 이 연구를 이끈 물리학과 롱 주(Long Ju) 조교수는 "자연에는 놀라움이 많고, 특히 흑연에 많은 흥미로운 특성이 내장되어 있음을 발견했다"며, 이러한 다양한 특성을 지닌 재료를 찾는 것이 매우 드물다고 강조했다. 이 연구는 '네이처 나노테크놀러지(Nature Nanotechnology)'에 게재됐다. 5층 능면체 적층 그래핀 개발 흑연은 그래핀으로 구성되는데, 그래핀은 벌집 구조와 유사한 육각형 형태로 배열된 단일 탄소 원자 층이다. 그래핀은 약 20년 전 처음 분리된 이후로 집중적인 연구 대상이 되었다. 대략 5년 전, MIT 팀을 포함한 연구자들은 그래핀 시트를 쌓고 서로 약간 비틀면 재료에 초전도성에서 자성에 이르기까지 새로운 특성을 부여할 수 있다는 것을 발견했다. 이러한 발견으로 '트위스트로닉스'라는 분야가 생겨났는데, 이는 2차원 격자 구조를 다양한 방식으로 겹쳐 나타나는 성질을 연구하는 것이다. 롱 주 조교수는 이번 그래핀 연구에서 "전혀 뒤틀림이 없는 특별한 특성을 발견했다"고 말했다. 그와 동료들은 특정 순서로 배열된 5개의 그래핀 층이 전자들이 물질 내에서 서로 상호작용할 수 있도록 하는 것을 발견한 것. 이러한 현상은 '전자 상관관계'라고 알려져 있으며, 주 연구원은 이를 "이러한 모든 새로운 특성을 가능하게 하는 마법"이라고 표현했다. 벌크 흑연과 단일 시트의 그래핀은 이미 우수한 전기 전도체로 알려져 있지만, 이것이 전부는 아니다. 주의 연구팀이 분리한 '5층 능면체 적층 그래핀'이라 불리는 새로운 물질은 단순한 부품의 합보다 훨씬 더 큰 성질을 나타낸다. 이 물질을 분리하는 데 핵심적인 역할을 한 것은 나노스케일에서 중요한 특성을 빠르고 비교적 저렴하게 파악할 수 있는 2021년 MIT에서 주 연구원이 개발한 새로운 현미경 덕분이었다. 5층 능면체 적층 그래핀의 두께는 수십억 분의 1미터에 불과하다. '산란형 주사형 근접장 광학 현미경(s-SNOM)'으로 알려진 주 연구원이 개발한 현미경을 통해 과학자들은 특정한 능면체 적층 순서에서 5층 그래핀만을 식별하고 분리할 수 있었다. 주 연구원을 포함한 과학자들은 '능면체 적층'이라는 매우 정밀한 순서로 쌓인 다층 그래핀을 연구하고 있었다. 주는 "5개 레이어(층)로 이루어진 구조에서는 10개 이상의 적층 순서가 가능하며, 능면체 적층은 그 중 하나"라고 설명했다. 연구팀은 이 5층 능면체 적층 그래핀을 질화붕소로 만든 '빵'으로 둘러싼 '샌드위치' 구조에 전극을 부착했다고 이해하기 쉽게 설명했다. 이를 통해 다양한 전압과 전류를 사용하여 시스템을 조절할 수 있었으며, 그 결과 전자의 수에 따라 세 가지 다른 현상이 나타나는 것을 발견했다. 이들은 이 물질이 절연성, 자성 또는 위상학적 성질을 보일 수 있다는 것을 발견했다. 위상학적 물질(토폴로지, topology)은 물질의 가장자리를 따라 전자가 방해받지 않고 움직일 수 있지만, 중앙을 통과하는 것은 허용하지 않는 특성을 갖는다. 위상학적 물질에서 전자는 중심부를 구성하는 중앙 분리대에 의해 분리되며, 물질의 가장자리를 따라 고속도로처럼 한 방향으로 이동한다. 이로 인해 위상학적 물질의 가장자리는 완벽한 도체 역할을 하고, 중심부는 절연체가 된다. 주와 그의 연구팀은 이 연구를 통해 "강력하게 상관된 위상물리학의 새로운 가능성을 탐구하기 위한 고도로 조정 가능한 플랫폼으로서 능면체 적층 다층 그래핀을 확립했다"고 결론지었다. 이는 위상물리학 분야에서 새로운 연구 방향을 제시하는 중요한 발견으로 여겨진다. 카이스트, '납작한 벨트형 그래핀 섬유' 개발 한편, 한국의 카이스트(KAIST) 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀은 지난 6월 그래핀의 기존 응용범위와 한계를 뛰어넘는 새로운 형태의 그래핀 섬유를 개발하는데 성공했다. 이 새로운 기술은 값싼 흑연을 사용하여 용액 공정을 통해 쉽게 얻을 수 있으며, 기존의 탄소섬유보다 저렴하면서도 유연성과 같은 차별화된 물리적 특성을 지니고 있어 경제적인 장점도 갖추고 있다. 그래핀(Graphene)은 탄소 원자가 벌집 모양으로 이뤄진 2차원 물질(원자만큼 얇은 물질)이다. 이론적으로 강철보다 100배 강하고 열·전기 전도성이 뛰어나기 때문에 꿈의 신소재로 불린다. 김상욱 연구팀의 이번 성과가 높게 평가받는 이유는 100% 그래핀으로 이뤄진 섬유가 만들어지는 과정에서 스스로 납작해져서 벨트와 같은 단면을 형성하는 현상을 세계 최초로 발견했다는 점이다. 이 납작한 벨트형 그래핀 섬유는 내부에 적층된 그래핀의 배열이 우수해 섬유의 기계적 강도와 전기전도성이 크게 향상됐다는 평가다. 연구 결과, 이 섬유는 원형 단면을 갖는 일반 섬유에 비해 기계적 강도가 약 3.2배(320%), 전기전도성이 약 1.5배(152%) 향상된 것으로 나타났다. 해당 연구 논문은 그 성과를 인정받아 'ACS 센트럴 사이언스'의 7월호 표지에 게재됐다.
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美 MIT, 연필심 흑연에서 5층 능면체 적층 그래핀 개발
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