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탄소 질화물, 다이아몬드를 뛰어넘는 초강력 물질 탄생
- 과학자들이 수십 년의 연구 끝에 다이아몬드에 필적하는 새로운 초경도 물질을 개발했다는 연구 결과가 공개됐다. 과학 전문매체 '사이테크데일리(scitechdaily)'에 따르면, 영국 에든버러 대학교(University of Edinburgh)를 포함한 국제 연구팀은 탄소와 질소를 혼합한 물질을 극한의 압력과 열에 노출시킴으로써, 다이아몬드보다 더 단단한 새로운 물질을 창출했다. 연구팀은 탄소와 질소를 혼합한 물질을 지구 내부와 유사한 약 100만 배의 대기압 압력에 노출시켰다. 더불어, 섭씨 150만 도 이상의 고온에서 가열하는 실험을 진행했는데, 이는 태양 표면의 온도에 가까운 극한의 조건이다. 이러한 극한 조건에서 탄소와 질소 원자는 강력하게 결합하여 '탄소 질화물(carbon nitride)'을 형성한다. 연구팀은 이 새로운 물질의 경도를 측정하기 위해 여러 강도 시험을 수행했다. 그 결과 이 탄소 질화물이 현재 알려진 물질 중 두 번째로 단단한 '입방정 질화붕소(cubic boron nitride)'보다 더 단단한 것으로 밝혀졌다. 이번 연구는 재료 과학 분야에 있어 중대한 발견으로, 특히 항공우주, 군사, 산업 분야 등에서의 응용 가능성이 높은 새로운 초경도 물질의 개발을 의미한다. 연구팀은 프랑스의 유럽 싱크로트론 연구 시설(European Synchrotron Radiation Facility, ESRF), 독일의 독일 전자 싱크로트론(Deutsches Elektronen-Synchrotron, DESY), 미국에 기반을 둔 고에너지 물리학 연구소(Advanced Photon Source, APS)에 있는 세 개의 입자 가속기를 이용하여 강렬한 X선 빔을 이용해 샘플을 조사했다. 이 X선 빔은 샘플 내의 원자 구조와 전자 분포를 산란시켜, 물질의 내부 구조를 세밀하게 분석할 수 있게 해준다. 연구 결과는 세 가지 다른 질화탄소 화합물이 초경도를 달성하기 위한 필수 구성 요소들을 보유하고 있다는 것을 보여준다. 특히 놀라운 점은, 이 세 화합물이 모두 일반적인 압력 및 온도 조건으로 돌아갔을 때도 다이아몬드와 유사한 특성을 유지한다는 것이다. 이러한 발견은 물질의 안정성과 내구성에 대한 새로운 이해를 제공하며, 과학 및 산업 분야에서의 응용 가능성을 확대한다. 추가적인 계산과 실험에 따르면 이 새롭게 개발된 물질이 광발광과 높은 에너지 밀도와 같은 여러 특별한 특성을 가지고 있음이 밝혀졌다. 이는 물질이 매우 적은 질량으로 상당한 양의 에너지를 저장할 수 있음을 의미한다. 연구팀은 이러한 초비압축성 탄소 질화물이 다양한 응용 분야에 적용될 잠재력이 크다고 지적했다. 그들은 이 물질이 다이아몬드와 비견될 수 있는 궁극적인 공학 재료로 자리 잡을 수 있다고 전망했다. 연구를 주도한 에든버러 대학교의 도미니크 라니엘(Dominique Laniel) 박사는 "이 새로운 질화탄소 물질 중 첫 번째 질화탄소 물질이 발견되었을 때, 우리는 지난 30년 동안 과학자들이 꿈꿔온 물질을 만들어낸 것이 믿기 어려웠다. 이러한 재료는 고압 재료 합성과 산업적 응용 사이의 간극을 메우는 데 강력한 동기를 제공한다."라고 말했다. 린셰핑 대학 플로리안 트리벨(Florian Trybel) 박사는 "이 물질은 다기능성이 탁월할 뿐만 아니라 지구 내부 깊숙한 곳에서 발견되는 조건과 유사한 극한의 합성 압력에서도 안정한 상태를 유지할 수 있다는 점을 보여준다. 우리는 이 공동 연구를 통해 이 분야에서 새로운 가능성을 열 것이라고 확신한다"라고 말했다. 이번 연구는 깨지지 않는 초단단 재료 개발 분야에서 중요한 진전을 이루었다. 이 새로운 재료는 자동차와 우주선의 보호 코팅, 내구성이 뛰어난 절삭 공구, 태양 전지판, 광검출기 등과 같은 다양한 산업 분야에 응용될 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 이는 기술적인 혁신 뿐만 아니라 산업 전반에 걸친 여러 응용 분야에도 중대한 영향을 미칠 수 있을 것으로 기대된다.
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- 산업
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탄소 질화물, 다이아몬드를 뛰어넘는 초강력 물질 탄생
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[퓨처 Eyes(15)] 20m 미만 소형 입자 가속기, 의료·반도체 혁신 예고
- 미국 텍사스대학교(UT) 오스틴 캠퍼스 연구원들이 전자 에너지가 높고 공간도 적게 차지하는 소형 입자 가속기를 개발했다. '입자 가속기'는 우주를 구성하는 기본 입자들의 속성과 상호작용을 연구하는 데 필수적인 장치다. 현대 물리학의 중심에 서 있는 이 기술은 반도체 응용 분야, 의료 영상 및 치료, 재료, 에너지 및 의학 연구에 큰 잠재력을 가지고 있다는 평가다. 특히 기존 가속기는 수 킬로미터에 달하는 넓은 공간을 차지해 가격이 비싸고 소수의 국립연구소와 대학에서만 사용할 수 있었다. 미국 과학 기술 매체 사이테크데일리에 따르면, UT 연구팀이 개발한 소형 입자 가속기는 길이 20m 미만으로, 기존 가속기보다 훨씬 콤팩트하다. 또한, 100억 전자볼트(10 GeV)의 에너지를 가진 전자빔을 생성할 수 있어, 기존 가속기와 동일한 수준의 성능을 갖는다. 현재 미국 내에서 이와 같은 높은 전자 에너지 수준에 도달할 수 있는 가속기는 단 두 대에 불과하며, 둘 다 길이가 약 3km에 달한다. 이 연구의 공동 저자인 비요른 마누엘 헤겔리히(Bjorn "Manuel" Hegelich) UT 물리학 부교수는 "우리는 이제 이러한 에너지 수준에 매우 가까운 거리, 약 10cm 내에서 전자 빔에 도달할 수 있다"고 말했다. 이번 연구는 입자 가속기 기술의 발전에 중요한 진전을 의미하며, 향후 다양한 과학적, 의료적 응용에 사용될 수 있다. 헤겔리히 교수는 저널 '극한에서의 물질과 방사선(Matter and Radiation at Extremes)'에서 "우리의 가속기는 우주 장치의 방사선 내성 테스트, 새로운 반도체 칩의 3D 내부 구조 이미지화, 심지어 혁신적인 암 치료법과 고급 의료 영상 기술 개발에 활용될 수 있다"고 말했다. 또한, 이 가속기는 X선 자유 전자 레이저 구동에도 사용될 수 있다. 이 레이저는 원자나 분자 수준에서 일어나는 프로세스를 슬로우 모션으로 촬영하는 데 이용 가능하다. 가속기 기술의 혁신 '소형 입자 가속기' 입자 가속기는 원자와 같은 작은 입자들을 매우 높은 속도로 가속시켜, 이들을 서로 충돌시키거나 특정 표적에 충돌시킴으로써 그 속성을 탐구한다. 이러한 과정을 통해 과학자들은 입자들과 이를 구성하는 힘에 대해 깊이 있게 연구할 수 있다. 입자 가속기는 주로 하전 입자의 속도를 증가시키는 데 사용된다. 양성자, 원자핵, 전자와 같은 양전하나 음전하를 지닌 입자들이 이에 해당한다. 이 입자들은 때때로 빛의 속도에 근접한 속도로 가속된다. 입자가 표적 물질이나 다른 입자와 충돌할 때, 다양한 현상이 발생한다. 충돌로 인해 에너지가 방출되고, 핵 반응이 일어나며, 입자가 산란되고 새로운 입자가 생성된다. 예를 들어, 중성자와 같은 다른 입자들이 이러한 충돌에서 생겨날 수 있다. 이 과정을 통해 과학자들은 원자, 원자핵, 핵자를 결합하는 힘과 '하이그스 보손(Higgs boson)'과 같은 특별한 입자들의 성질을 연구할 수 있다. 하이그스 보손, 우주 기본 입자의 질량 부여하는 '신의 입자' '하이그스 보손'은 기본 입자 물리학의 중요한 개념 중 하나로, 입자들이 질량을 갖게 되는 메커니즘을 설명하는 데 핵심적인 역할을 한다. 이 입자는 1964년 물리학자 피터 하이그스와 다른 몇몇 이론 물리학자들에 의해 처음으로 제안됐다. 2012년 유럽입자물리연구소(CERN)의 대형 강입자 충돌기(LHC)에서 처음 발견됐다. 하이그스 보손은 매우 무거운 입자로, 질량은 약 125GeV이다. 이는 약 125억 전자볼트와 같다. 하이그스 보손은 또한 매우 불안정한 입자로, 평균 수명은 약 1.56x10¯²²초로 추정된다. 이는 하이그스 보손이 생성된 직후 거의 즉시 다른 입자들로 붕괴한다는 것을 의미한다. 하이그스 보손의 발견은 물리학 연구에 새로운 동력을 불어넣었다. 이로 인해 피터 하이그스와 프랑수아 앵글레르는 2013년 노벨 물리학상을 수상했다. 이 발견은 우주의 근본적인 성질에 대한 이해를 크게 향상시켰으며, 여전히 많은 연구가 진행 중이다. 입자 가속기 활용 분야 입자 가속기는 우주의 기원과 구조, 물질의 기본 구성 요소, 자연법칙 등을 연구하는 데 사용된다. 입자 가속기를 이용하여 새로운 입자를 발견하거나, 기존 입자의 성질을 연구할 수 있다. 또한 입자 가속기는 생물학, 의학, 재료과학, 나노기술 등 다양한 분야의 응용과학 연구에 활용된다. 입자 가속기를 이용하여 새로운 약물이나 치료법을 개발하거나, 새로운 재료나 소재를 개발할 수 있다. 예를 들어, 암 치료를 위한 정밀 방사선 요법이나 새로운 재료의 연구에 활용될 수 있다. 종양을 제거하거나 염증을 치료하는 방사선 치료를 수행할 수 있다. 입자 가속기를 사용하여 의료용 동위원소를 생산할 수도 있다. 의료용 동위원소는 암 진단, 치료, 방사선 치료 등 다양한 의학 분야에서 사용된다. 입자 가속기는 반도체 제조, 금속 재료 연구, 환경 오염 측정 등 산업 분야에도 다양한 용도로 활용되고 있다. 입자 가속기를 이용하여 반도체의 미세 회로를 제조할 수 있다. 또 식품이나 의약품을 살균하거나, 디스플레이 등을 제조할 수 있다. 아울러 새로운 물리학 이론을 탐구할 수 있다. 표준 모델 이외의 이론, 예를 들어 초대칭성, 여분의 차원, 양자 중력 이론 등을 실험적으로 탐구하는 것이 다음 세대 가속기의 중요한 목표 중 하나가 될 것이다. 또한 대규모 입자 가속기 프로젝트는 국제적 협력을 필요로 한다. 이러한 협력은 물리학뿐만 아니라 정치적, 경제적, 교육적 측면에서도 광범위한 영향을 미칠 것으로 보인다. 웨이크필드 레이저 가속기 웨이크필드 레이저 가속기는 1979년에 처음으로 개념이 제시된 이후 괄목할 만한 발전을 거듭해왔다. 이 기술은 강력한 레이저를 헬륨 가스에 충돌시켜 플라즈마 상태로 가열하고, 이 과정에서 고에너지 전자 빔이 가스의 전자를 밀어내며 파동을 생성한다. 지난 수십 년간 여러 연구 그룹이 이 기술을 발전시켜 더욱 강력한 버전을 개발했다. 헤겔리히 교수와 그의 연구팀은 나노기술을 이용해 주요 발전을 이루었다. 부가적인 레이저가 가스 셀 내의 금속판과 충돌하면, 금속 나노입자들이 흘러나와 파동에서 전자로 에너지 전달을 증가시키는 역할을 한다. 이 과정은 보트가 호수를 가로질러 나아가며 남기는 항적과 유사하며, 전자는 서퍼가 파도를 타는 것처럼 이 플라즈마 파동을 타고 이동한다. 이러한 혁신적인 접근 방식은 웨이크필드 레이저 가속기 기술의 효율성과 성능을 높이는 데 크게 기여하고 있다. 앞으로도 이 분야의 연구와 개발에 중요한 역할을 할 것으로 예상된다. 헤겔리히 교수는 웨이크필드 가속기의 원리를 비유를 통해 설명했다. 그는 "웨이크 서핑을 하려면 큰 파도에 들어가기 어렵기 때문에 서퍼들은 제트 스키에 끌려들어간다"고 비유했다. 이어서 "우리 가속기에서는 제트 스키와 유사한 역할을 하는 것이 적절한 시간과 위치에서 전자를 방출하는 나노입자이다. 이를 통해 파도 위에 더 많은 전자를 끌어들여 가속하는 것이 우리의 '비밀 소스'"라고 부연했다. 이 실험을 위해 연구팀은 세계에서 가장 강력한 펄스 레이저 중 하나인 '텍사스 페타와트 레이저(Texas Petawatt Laser)'를 사용했다. 이 레이저는 UT에 설치되어 있으며, 매시간 한 번씩 초강력 빛 펄스를 발사한다. 단일 페타와트 레이저 펄스의 전력은 미국 전력의 약 1000배에 달하지만, 지속 시간은 150펨토초에 불과하다. 이는 번개 방전의 10억분의 1도 안 되는 짧은 시간이다. 웨이크필드 레이저 가속기는 강력한 레이저를 헬륨 가스에 충돌시켜 플라즈마 상태로 가열하고, 이 과정에서 고에너지 전자 빔이 가스의 전자를 밀어내며 파동을 생성한다. 전자는 이 플라즈마 파동을 타고 이동하면서 에너지를 얻게 된다. 헤겔리히 교수와 그의 연구팀은 나노기술을 이용해 주요 발전을 이루었다. 부가적인 레이저가 가스 셀 내의 금속판과 충돌하면, 금속 나노입자들이 흘러나와 파동에서 전자로 에너지 전달을 증가시키는 역할을 한다. 소형 입자 가속기 연구의 의미와 전망 UT 연구팀의 이번 연구는 소형 입자 가속기 기술의 발전에 중요한 진전을 이루었다는 점에서 의미가 있다. 소형 입자 가속기는 기존 가속기의 단점인 비용과 공간 제약을 극복할 수 있어 다양한 분야에서 활용될 가능성이 높다. 연구팀은 향후 현재 개발중인 소형 입자 가속기를 테이블 위에 올려 놓고 초당 수천 번 반복적으로 발사할 수 있는 레이저로 시스템을 구동하여 기존 가속기보다 훨씬 더 콤팩트하고 훨씬 더 넓은 환경에서 사용할 수 있는 가속기를 만드는 것을 목표로 하고 있다. 한편 현재 세계 각국은 입자 가속기의 성능을 향상시키기 위한 연구에 박차를 가하고 있다. 유럽입자물리연구소(CERN)는 현재 운영 중인 대형 강입자 충돌기(LHC)의 성능을 개선하기 위한 작업을 진행하고 있다. 또한, 미국, 중국, 일본 등에서도 새로운 입자 가속기의 건설을 추진하고 있다. 이러한 노력을 통해 입자 가속기는 우주와 물질의 기본 법칙을 이해하고 새로운 기술을 개발하는 데 더욱 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
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[퓨처 Eyes(15)] 20m 미만 소형 입자 가속기, 의료·반도체 혁신 예고
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중국, 지하 2400ｍ에 세계 최대 암흑물질 탐사 연구시설 가동
- 중국이 쓰촨성 진핑산 지하 2400ｍ에 암흑물질(dark matter) 탐사를 위한 세계 최대 지하 연구시설을 가동했다. 사우스차이나 모닝 포스트(SCMP)는 7일(현지시간) 중국 관영 신화통신을 인용, 쓰촨성 진핑산에서 지하 2400ｍ에 위치한 33만㎡ 규모의 세계 최대 초심층 연구실 '중국 진핑 지하 실험실(China Jinping Underground Lab)'이 이날 가동을 시작했다고 보도했다. 진핑 지하 실험실은 올림픽 수영 경기장 120개에 해당하는 규모로, 이전까지 최대 지하실험실 이었던 이탈리아 그란 사소 국립실험실(Gran Sasso National Laboratory)의 약 두 배 크기다. 이 실험실은 2010년 1단계 공사에서 4000㎡ 규모로 건설됐으며 2020년 12월 칭화대 등과 함께 2단계 확장 공사를 시작해 3년만에 완공됐다. 실험실은 터널을 통해 자동차로 접근할 수 있다. 세계에서 가장 깊은 땅속에 위치한 이 실험실은 다른 곳에서는 접할 수 없는 특별하고 조용한 청정 실험 환경을 제공한다. 대부분의 우주선(cosmic ray)을 차단하는 극도의 깊이에 위치한 이 연구실은 과학자들이 우주 구성 총물질의 약 26%를 차지한다고 여겨지는 보이지 않는 물질인 암흑물질 탐지에 이상적인 '초(ultra)청정'한 환경을 조성하는 것으로 알려졌다. 암흑물질은 우주를 구성하는 총 물질의 26.8%를 차지하는 정체불명의 물질이다. 유럽 핵연구기구(CERN)에 따르면 암흑 물질은 빛을 흡수, 반사 또는 방출하지 않기 때문에 발견하기가 매우 어렵다. CERN은 미지의 물질인 암흑물질을 연구하는 장비를 보유하고 있다. CERN의 강력한 입자 가속기인 대형 강입자 충돌기는 프랑스-스위스 국경의 제네바 인근 지하 100m에 위치해 있다. 이 충돌기는 국제 연구자들이 암흑물질을 찾는 데 사용된다. 과학자들은 암흑물질이 가시 물질에 미치는 중력 효과를 통해 암흑물질의 존재를 추론할 수 있었다. 즉 암흑물질은 전파나 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선 등과 같은 전자기파로도 관측되지 않으며 오로지 중력을 통해서만 존재를 인식할 수 있는 가설상의 물질이다. 암흑물질은 우주생성 초기부터 널리 존재하면서 은하의 구조 등을 결정하는 중요한 역할을 한 것으로 알려졌으나 빛을 내지 않고 다른 물질과 거의 반응하지 않기 때문에 관측이 대단히 어렵다. 암흑물질의 수수께끼를 풀면 연구자들이 우주의 구성과 은하가 어떻게 서로 결합하는지 더 잘 이해할 수 있을 것으로 보인다. 과학자들은 눈에 보이는 물질은 우주 전체 질량의 5%만을 차지하고 나머지 95%는 암흑물질과 암흑에너지라고 추정한다. 2010년 진핑 연구소의 1단계 공사가 완공되었을 때 약 4000㎥의 규모였다. 칭화대학교와 국영 야롱강 수력발전회사가 공동으로 2단계 공사를 2020년 12월에 시작했다. 칭화대 웨첸(Yue Qian) 교수는 신화통신에 "진핑 실험실은 지구 표면 우주선의 1억분의 1에 해당하는 극소량의 우주선에만 노출되기 때문에 암흑물질 연구를 위한 초청정한 공간을 제공한다"고 말했다. 또 "실험실 내 환경 방사선과 자연 발생 방사성 가스 라돈의 농도가 극도로 낮은 것도 암흑물질 탐지를 향상시킬 수 있다"면서 "우리는 가장 중요한 과학적 탐구에 착수할 수 있다"고 말했다. 그는 "이 연구실이 입자 물리학, 핵 천체 물리학, 우주론, 생명 과학 및 암석 역학 분야 등의 학제간 연구를 지원할 것"이라고 덧붙였다. 신화통신은 칭화대, 상하이 교통대, 베이징 사범대학의 과학자와 중국원자력연구소, 중국과학원 암석 및 토양 역학 연구소 등으로 구성된 10개의 연구팀이 이미 이 시설에 주둔했다고 전했다. 한편, 한국은 강원도 정선군의 예미산 지하 1000미터에 위치한 세계적 수준의 고심도 지하실험시설 '예미랩'에서 우주의 비밀을 밝히고 있다. 이곳에서는 '암흑물질'과 우주를 구성하는 기본 입자인 '중성미자' 연구 등이 진행되고 있다.
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중국, 지하 2400ｍ에 세계 최대 암흑물질 탐사 연구시설 가동
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나사, 소행성 베누 시료 첫 개봉
- 과학자들은 지난달 베누 소행성에서 가져온 시료에 놀라운 반응을 보였다. 그 놀라움의 원인은 어떤 것일까? 이 질문의 답은 오는 10월 11일 미국 우주항공국(NASA)의 라이브 방송을 통해 밝혀질 예정이다. 미국 CNN에 따르면, NASA의 오시리스 렉스(OSIRIS-Rex) 탐사선은 7년의 임무를 성공적으로 마무리하고 행성에서 취득한 시료를 곧 분석할 계획이다. 과학자들은 지난 9월 26일, 과학자들이 탐사선의 시료 용기를 열자, 용기 주변과 내부에서 암석과 토양을 수집하는 데 사용된 기구로부터 어둡고 미세한 물질을 발견했다. CNN은 이것이 소행성에 대한 초기 통찰을 제공하는 중요한 장면이라고 전했다. 이 시료는 지난 9월 24일, 미국 유타 사막의 국방부 유타 시험훈련장에 예상보다 3분 빠르게 도착했다. 탐사선은 베누라는 소행성에 착륙해 시료를 채취한 후 지구로 귀환했고, 이 과정에서 약 60억 2100만km(38.6억 마일)를 이동했다. 소행성은 태양계 형성 시기의 유물로, 행성이 초기에 형성되며 겪은 혼란스러운 시기의 모습을 반영한다. CNN은 지구 근처의 소행성들이 지구에 위협을 가하므로, 그들의 구성과 궤도를 파악하는 것이 지구와의 충돌 위험을 회피하기 위한 중요한 방법이라고 설명했다. 현재, 이 시료는 나사의 휴스턴 존슨 우주센터에 있는 청정실에서 정밀 분석을 위해 보관 중이다. 탐사선은 2020년 10월 터치 앤 고(Touch-and-Go) 방식의 TAGSAM 시료 획득 메커니즘을 이용해 베누 표면의 시료를 성공적으로 수집했다. 이 과정에서 많은 양의 물질이 획득되어 빠르게 분석할 수 있을 것이라는 기대가 컸다. 그러나 메커니즘 내부에서 아직 전체 시료에 접근하기 전에도 충분한 양의 물질이 확인되었다. 오시리스 렉스의 큐레이션 책임자인 크리스토퍼 스니드(Christopher Snead)는 "물질의 양이 많아 예상했던 것보다 분석에 더 많은 시간이 걸릴 것으로 보인다"라고 전했다. 미국 CNN 보도에 따르면, 현재 TAGSAM 헤드를 통해 수집된 시료의 초기 분석이 진행 중이며, 베누에서 얻은 물질에 대한 첫 번째 결과가 곧 공개될 것으로 예상된다. 오시리스 렉스는 2018년 12월 발사된 후 약 2년여 만에 지구에서 약 1억3000만km 떨어진 태양 궤도를 도는 소행성 베누의 상공에 도착했다. 2020년 10월에는 베누 표면에 착륙하여 시료를 채취한 후, 2021년 5월에 지구로 귀환하기 시작했다. 린지 캘러(Lindsay Keller) 오시리스 렉스의 시료 분석팀 대표는 "우리는 시료를 원자 단위까지 정밀하게 분석할 수 있는 세심한 기술을 갖추고 있으며, 이 분석을 위한 최고의 전문가와 최첨단 설비를 보유하고 있다"고 성명에서 밝혔다. 팀은 베누에서 얻은 시료의 초기 분석을 위해 주사 전자 현미경, X선, 적외선 기기 등을 활용하여 재료의 화학적 특성을 파악하며, 수화된 광물과 유기 입자의 존재를 확인한다. 또한, 소행성 내에 특정 광물이 풍부하게 존재하는지도 파악할 예정이다. 과학자들은 베누에서 얻은 풍부한 시료를 통해 무엇을 우선적으로 예상해야 할지에 대한 보다 명확한 인식을 갖게 될 것으로 예상하고 있다. 그들은 베누와 같은 소행성이 지구 초기 형성 단계에서 필수적인 원소인 물과 같은 물질을 지구에 전달했을 가능성을 검토하고 있다. 한편, 이 시료를 지구로 전달한 탐사선은 '오시리스 아펙스(OSIRIS-APEX)'라는 이름으로 재명명되었으며, 2029년에 지구 근처에서 맨 눈으로도 관측 가능한 거리까지 접근하는 소행성 아포피스의 연구를 위해 이동 중이다.
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나사, 소행성 베누 시료 첫 개봉
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美 스탠퍼드대, 세계 최강 'X선 자유전자 레이저' 개발
- 미국 에너지부 소속 스탠퍼드 대학교 SLAC 국립 가속기 연구소에서 세계에서 가장 강력한 X-선 레이저를 발사할 수 있는 업그레이드된 'X선 자유전자 레이저(XFEL)'를 선보였다고 더 레지스터가 최근 보도했다. 11억 달러(약 1조 4680억 원)의 비용을 들여 10년의 노력 끝에 4세대 X선 자유전자 레이저인 이 연구소의 LCLS(Linac Coherent Light Source ) 원자 X-선 자유전자 레이저가 업그레이드(LCLS-II) 되어 초당 최대 백만 펄스를 전달할 수 있게 됐다. 이번에 업그레이드된 LCLS-II는 이전 제품보다 8000배 더 많은 초당 최대 100만 개의 X선 플래시를 통해 양자 물질부터 청정 에너지 기술, 의학 분야에 이르기까지 광범위한 응용 분야의 핵심인 원자 규모의 초고속 현상을 탐구할 수 있는 문이 열렸다. 미국 정부는 각 펄스는 이전 기기에서 방출되는 것보다 최대 1만배 밝아졌으며, 이는 이전 모델보다 8000배 강력하다고 밝혔다. LCLS의 책임자인 마이크 듄(Mike Dunne)과 LCLS-II 프로젝트 리더인 그렉 헤이즈(Greg Hays)는 "이 X-선의 파장은 원자 크기와 유사해, 이를 통해 분자의 내부 구조를 분석할 수 있다. 또한, 이 X-선이 초고속 펨토초(십억분의 일초) 버스트로 방출되기 때문에, 움직이는 것들을 마치 '정지화면'처럼 디스코 라이트와 비슷한 효과로 촬영할 수 있다"라고 말했다. 펨토초 레이저는 매우 짧은 진동 폭을 가진 펄스를 연속적으로 낼 수 있는 레이저로 수백 킬로미터(km)의 거리에서 1 나노미터(㎚, 10억 분의 1 미터)의 차이까지 정밀 측정이 가능해 행성 탐사를 비롯해 통신이나 기상, 환경 측정 등에 활용된다. 연구원들은 "우리는 주변 세계가 원자 분자 규모에서 어떻게 작동하는지에 대한 스톱모션 영화를 만들어 낸다. 화학 반응을 실시간으로 추적하거나 초전도와 같은 양자 현상의 발생을 관찰하는 것과 유사하다"고 덧붙였다. 새로운 LCLS-II는 자외선 빛의 펄스를 생성하여 포토캐소드(광전음극, 광선에 노출될 때 광전자를 생성)와 충돌시켜 광전자를 방출한다. 이 전자들은 섭씨 마이너스 271도로 냉각된 37개의 크라이오젠 모듈(극저온 환경에서 사용되는 모듈)을 통해 이동하게 되는데, 이 모듈 안에는 초전도자석이 포함되어 있어 전자가 광속에 근접한 속도로 가속된다. X-선은 분자를 관통하며, 이때의 굴절을 통해 그 구조의 세부적인 패턴이 만들어진다. 더 강한 X-선 레이저를 활용하면, 과학자들은 물질이나 화학 반응의 실시간 변화를 더욱 빠르고 상세하게 캡처할 수 있게 되어, 해당 과정을 직접 관찰하는 능력을 갖게 된다. 제니퍼 그랜홈(Jennifer Granholm) 미국 에너지부 장관은 "SLAC의 LCLS-II 빛은 우주의 가장 작고 빠른 현상들을 탐색하며, 건강부터 양자 재료 과학에 이르기까지 다양한 학문에서 중요한 발견을 이끌 것"이라고 전했다. 이 개선된 X-선 레이저는 두 개의 크라이오플랜트(액체 냉매를 생성하고 저장하기 위해 사용되는 설비)가 장착됐다. 이 장비는 전자로부터 X-선을 생성하는 데 필요한 언듈레이터(undulator, 자기장과 전기장을 사용하여 입자를 진동시키고 광자를 방출) 두 개를 탑재했고, 더 민감한 감지기와 센서를 포함하고 있다. 또한 이러한 데이터를 신속하게 처리하는 능력도 갖추고 있다. 과학자들은 이 레이저를 사용하여 광합성이나 응축 물질 내 원자 간 상호 작용과 같은 과정을 조사할 예정이다. 듄과 헤이즈는 "소프트 X-선은 분자 내 전자의 위치를 파악하는 데에 유용해, 에너지와 전하의 움직임을 이해하는 데 도움을 준다. 예컨대, 태양에서 에너지를 어떻게 효율적으로 활용할 수 있는지를 알려주게 된다. 반면 하드 X-선은 원자의 위치를 표현해줘서 물질의 구조를 나타낸다. 이는 주변 환경의 구성 방식을 이해하는 데 유용하다. 특히 단백질 구조나 질병 치료에 쓰이는 의약품이 좋은 예시"라고 말했다. 과학자들은 몇 주 안에 이 장비로 실험을 시작할 계획이며, 다른 연구자들도 레이저를 사용하기 위해 시간을 신청할 수 있다. 아스메렛 아세포 베르헤(Asmeret Asefaw Berhe) DOE 과학국 국장 "LCLS-II와 연구자 공동체가 국가 과학의 우선 순위에 어떤 영향을 미칠지 기대하고 있다. 화학, 재료, 생물학 등의 기본 과학 연구부터 청정 에너지연구와 양자 정보 과학과 같은 프로젝트를 통한 국가 안보 확보에 이르기까지 다양한 분야에서 중요한 발견을 이끌어 낼 것"이라고 강조했다.
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