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2025-05-21 (수)

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[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
[퓨처 Eyes(65)] 한쪽으로는 질량 없는 기이한 입자, 첨단 기술 혁신의 열쇠 될까?

과학계가 술렁이고 있다. 마치 SF 영화에서나 나올 법한, 한 쪽 방향으로는 질량이 전혀 없지만 다른 한 쪽으로는 질량을 가진 기묘한 입자가 발견되었기 때문이다. '세미－디랙 페르미온(semi-Dirac fermions)'이라 불리는 이 준입자는 16년전 이론적으로 예측되었지만, 실제 물질에서 관측된 것은 이번이 처음이다. 이 획기적인 발견은 배터리, 센서 등 첨단 기술에 혁명적인 변화를 가져올 수 있다는 기대를 모으고 있다. 우연에서 탄생한 획기적 발견 이번 발견은 미국 펜실베이니아주립대학교(Penn State)와 컬럼비아대학교(Columbia University) 연구팀이 플로리다 국립 고자기장 연구소(National High Magnetic Field Laboratory)에서 수행한 실험 중 이루어졌다. 연구진은 지르코늄 실리사이드 설파이드(ZrSiS)라는 반금속 결정체를 -452℉(-269℃)로 냉각시키고 지구 자기장보다 90만 배 강력한 자기장을 적용해 광학적 반응을 조사하던 중 예상치 못한 신호를 관찰했다. 연구 논문의 주저자인 샤오 인밍(Yinming Shao) 펜실베이니아주립대학교 물리학 조교수는 "처음에는 우리가 무엇을 보고 있는지 몰랐다. 세미－디랙 페르미온을 찾으려던 것도 아니었다. 그런데 이해할 수 없는 신호를 발견했고, 결과적으로 이론적으로만 존재하던 준입자를 최초로 관찰하게 된 것"이라고 말했다. 플로리다 국립 고자기장 연구소의 하이브리드 자석은 세계에서 가장 강력한 지속형 자기장을 생성하는 데, 지구 자기장보다 약 90만배 강하다. 이 자기장은 너무 강해서 물방울과 같은 작은 물체를 공중에 띄울 수 있다. 연구진은 ZrSiS 결정체가 예상 밖의 특성을 보여준다고 강조했다. 그들은 "우리가 관찰한 신호는 기존의 준입자나 전자 행동과 완전히 다른 것이었다. 이는 물질 내 전자 구조가 상호작용하는 방식에 대한 새로운 시각을 제공한다"고 설명했다. 입자의 에너지가 전적으로 운동에서 비롯된 경우, 즉 본질적으로 빛의 속도로 이동하는 순수한 에너지인 경우 입자는 질량을 갖지 않을 수 있다. 예를 들어 광자나 빛의 입자는 광속으로 움직이기 때문에 질량이 없는 것으로 간주된다. 알버트 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 따르면 빛의 속도로 이동하는 물체는 질량을 가질 수 없다. 고체 물질에서는 준입자(quasiparticles)라고도 하는 많은 입자의 집단적 행동이 개별 입자와 다른 행동을 보일 수 있으며, 이 경우 한 방향으로만 질량을 갖는 입자가 발생한다고 샤오는 설명했다. 샤오는 "어떤 물질에 자기장을 가하면 그 물질 내부의 전자 레벨이 란다우 준위(Landau levels)라는 불연속 레벨로 양자화된다"고 설명했다. 이 레벨은 마치 계단을 오를 때 중간에 작은 계단이 없는 것처럼 고정된 값만 가질 수 있다. 이 레벨 사이의 간격은 전자의 질량과 자기장의 세기에 따라 달라지므로 자기장이 증가하면 전자의 에너지 준위는 전적으로 질량에 따라 정해진 양만큼 증가해야 하지만 이 경우에는 그렇지 않다. 즉, 세미－디랙 페르미온은 방향에 따라 질량이 존재하거나 사라지는 독특한 행동을 한다. 연구팀은 적외선을 비춰 반사된 빛의 신호를 분석하는 자기-광학 분광법(mganeto-optical spectroscopy)을 통해 이 현상을 확인했다. 전자의 에너지 상태가 특정 조건에서 기존 물질과는 전혀 다른 패턴을 보이며 이 준입자의 존재를 증명했다. 질행 행동성과 독특한 행동 '발견' 일반적인 입자는 모든 방향에서 질량을 갖지만, 세미－디랙 페르미온은 특정 방향에서만 질량을 갖는다. 이는 결정체의 전자 구조와 깊은 관련이 있다. ZrSiS의 경우 층상 구조를 가지고 있어 전자가 특정 경로로는 질량 없는 상태로 이동하고, 교차점에서 질량을 얻는다. 연구진은 이를 마치 "기차가 선로를 따라 이동하다가 교차점에서 방향을 바꿀 때 갑자기 저항 받는 상황"에 비유했다. 샤오는 "이 물질은 독특한 전자 구조를 가지고 있어 기존 물리학 이론으로는 완전히 설명되지 않는 행동을 보인다. 이 때문에 우리가 연구를 계속해야 하는 이유이기도 하다"라고 말했다. 이 현장은 란다우 준위(Landau levels)로 알려진 전자의 에너지 단계에서 관찰됐다. 일반적으로 전자의 에너지 단계는 자기장 강도에 따라 증가하지만. ZrSiS에서는 세미－디랙 페르미온만이 보여주는 'B^(2/3) 법칙'을 따른 패턴이 발견됐다. 이는 기존의 물질에서는 볼 수 없는 독특한 특성이다. 이러한 특징은 세미－디랙 페르미온이 지닌 독특한 에너지 분산 관계 때문이다. 그래핀의 전자와 같은 기존의 디렉 페르미온은 에너지가 운동량에 선형적으로 비례하지만, 세미－디랙 페르미온은 특정 방향에서는 에너지가 운동량의 제곱에 비례한다. 이러한 차이가 란다우 준위에서 독특한 에너지 패턴을 만들어내는 것이다. 란다우 준위는 자기장이 존재하는 2차원 전자 시스템에서 전자들이 특정 에너지 준위를 형성하는 양자역학적 현상을 말한다. 이 개념은 프랑스 물리학자 레프 란다우(Lev Landau)가 1930년에 제안했다. 세미-디랙 페르미온은 2008년과 2009년 프랑스 파리 쉬드 대학과 미국 캘리포니아 대학교 데이비스 캠퍼스의 과학자들을 포함한 여러 연구팀에 의해 처음으로 이론화됐다. 연구팀은 운동 방향에 따라 질량 이동 특성을 가진 준입자가 있을 수 있다고 예측했다. 즉, 한 방향으로는 무질량으로 보이지만 다른 방향으로는 질량이 있을 것으로 본 것이다. 과학과 기술의 개로운 가능성 제시 세미－디랙 페르미온의 발견은 단순한 이론 검증을 넘어, 첨단 기술로의 응용 가능성을 제시한다. 연구팀은 ZrSiS와 같은 층상 구조를 지닌 물질이 그래핀처럼 단일 층으로 분리될 경우, 전자 특성을 정밀하게 제아할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이는 새로운 이론적 모델을 필요로 하며, 앞으로의 연구가 이를 밝혀낼 것"이라고 덧붙였다. 이처럼 세미－디랙 페르미온은 전자의 이동성과 에너지 효율을 획기적으로 높일 수 있는 잠재력을 지니고 있다. 이는 차세대 전자 소자 및 에너지 저장 장치 개발에 새로운 돌파구를 마련할 수 있음을 의미한다. 세미-디랙 페르미온 미래 연구와 방향성 세미－디랙 페르미온은 기존 물리학의 틀을 확장시키는 동시에 양자 연구에 새로운 방향성을 제시한다. 이번 발견은 물질 내 전자의 상호작용, 길량의 생성 및 소멸, 에너지 흐름에 대한 이해를 심화시키는 데 중요한 기여를 할 것으로 보인다. 또한 준입자의 행동과 특성을 기반으로 새로운 재료 과학과 응용 기술 개발의 가능성을 열었다. 이 연구는 학술지 '피지컬 리뷰 엑스(Physical Review X)'에 개재됐으며, 과학계는 앞으로 더 많은 실험과 이론적 분석을 통해 이 준입자의 비밀을 밝혀낼 것으로 기대하고 있다. 한 방향으로 질량 없는 빛의 속도로 움직이고, 다른 방향으로는 무거운 질량을 지니는 세미－디랙 페르미온. 이 입자의 발견은 물리할뿐만 아니라 인류의 기술적 진보에도 깊은 영향을 미칠 것으로 보인다.
- 포커스온
2025-01-02 13:05:00
생분해성 플라스틱, 플라스틱 폐기물 없애는 만병통치약이 아닌 이유는?

현대 사회는 플라스틱으로 인한 오염을 해결하기 위해 고민하고 있다. 폐 플라스틱은 환경 오염을 일으킬뿐 아니라 기후 변화에도 큰 영향을 미치고 있다. ABC뉴스에 따르면 전 세계적으로 매년 4억 톤의 플라스틱이 생산되고 있으며, 유엔환경계획은 이 수치가 2050년까지 두 배로 증가할 것으로 예상했다. 게다가 미국은 다른 어느 나라보다 많은 플라스틱을 생산한다. 2020년 사이언스 어드밴시스에 발표된 논문에 따르면, 미국은 2016년에만 4200만 톤의 플라스틱을 생산했는데, 이는 1인당 약 286파운드에 해당된다. 중국과 모든 유럽연합 회원국에서 생산되는 양을 합친 것보다 더 많은 양이다. 그렇다면 이 플라스틱을 어떻게 처리해야 할까. ABC뉴스의 수석 기상 캐스터이자 기후 전문기자인 진저 지는 "플라스틱의 추가 생산과 오염을 막는 가장 쉬운 방법은 가능한 한 플라스틱을 사용하지 않는 것"이라고 말했다. "가장 좋은 해결책은 플라스틱을 아예 사용하지 않는 것"이라고. 그러나 이것이 항상 가능한 것은 아니다. 현대인 대부분이 일상생활에서 플라스틱에 의존하고 있기 때문이다. 미시간 주립대학의 화학 및 재료 공학과의 라마니 나라얀 교수는 "현대인은 음식을 먹고 포장하고 운송하는 데 광범위하게 플라스틱을 사용하고 있다"고 말했다. 생분해성 플라스틱의 퇴비화는 플라스틱 폐기물을 관리하는 가능한 솔루션으로 확인되었다. 그러나 이 솔루션이 항상 실행 가능한 것은 아니다. 모든 폐기물 관리 시설에서 쉽게 사용할 수 없는 인프라인 고온 상업용 퇴비화기가 필요하기 때문이다. 나라얀 교수는 퇴비화를 플라스틱 폐기물 전체를 관리하는 만병통치약으로 생각해서는 안 되며, 오히려 분해 과정에서 대기로 유입되는 메탄의 양을 줄이기 위해 생분해성 플라스틱을 매립지에서 분리해야 한다고 지적했다. 퇴비화가 가능한 플라스틱 제품에는 미국 퇴비화 위원회(U.S. Compost Council)의 인증 라벨이 붙어 있으며, 일반적으로 재활용 기호 안에 숫자 '7'과 그 아래에 'PLA'라는 글자가 있다. 이는 폴리락틱산(Polylactic Acid)을 의미하는 것으로, 합성 재료가 아닌 식물 재료에서 파생된 플라스틱으로 생분해성이 아니며 시간이 지나면 미세 플라스틱으로 분해된다. 플라스틱에 'PLA' 대신 'O' 또는 '기타'로 표시된 7번이 있는 경우 일반 가정용 퇴비 통에 버리면 안 된다. 플라스틱 문제는 전 세계적으로 너무 만연해 있다. 수천 년 동안 남아 있을 수 있는 미세 플라스틱은 우리의 일상생활에 깊이 침투해 있다. 일반적으로 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌과 같은 탄화수소 플라스틱으로 만들어진 폐 플라스틱은 배수구로 흘러들어 바다로 유입될 가능성이 높다. 폐 플라스틱은 바다에서 햇빛과 소금물에 담겨 수십 년, 수백 년 또는 수천 년에 걸쳐 분해된다. 또 인간이 폴리에스터로 만들어진 의류를 세탁기에 넣어 돌릴 때마다 미세 플라스틱이 음용수 시스템과 바다로 직접 유입돼 결국 인체로 다시 섭취된다. 세계자연기금(WWF)의 2019년 분석에 따르면, 인간은 일주일에 약 5g의 플라스틱을 섭취할 가능성이 높다. 이는 신용카드 정도의 무게다. 나라얀 교수에 따르면 퇴비화 가능한 플라스틱은 탄소 기반 플라스틱과 달리 환경으로 누출되더라도 지속되거나 축적되지 않는다. 그럼에도 불구하고 플라스틱은 사용하지 않는 것이 최선이라고 지 기자는 강조했다. 인간은 지난 수십 년 동안 일회용 플라스틱 없이도 살 수 있다는 것을 증명했으며, 기술적으로 퇴비화가 가능하더라도 한 번만 사용되는 플라스틱의 사용과 생산을 중단해야 할 때라는 지적이다. 지 기자는 "일회용 플라스틱은 필요 없다"라고 단정하고 "우리는 과거 일회용 플라스틱 없이도 잘 살았다. 일회용 플라스틱을 사는 것을 멈추고 기업에게는 다른 것을 사용하라고 요구해야 한다"고 강조했다.
- ESGC
2024-12-24 10:05:00
[퓨처 Eyes(63)] 손가락 끝 재생, 비밀은 바로 '기계적 부하'?

인류는 오랫동안 상상 속에서 잃어버린 팔다리를 재생하는 능력을 꿈꿔왔다. 신화 속 영웅이나 SF 영화의 주인공처럼 말이다. 이러한 꿈이 현실에서 이루어질 가능성이 점점 커지고 있다. 텍사스 A&M 대학교의 켄 무네오카 박사 연구팀은 최근 '저널 오브 본 앤 미네랄 리서치(Journal of Bone and Mineral Research)'와 '디벨롭멘탈 바이올로지(Developmental Biology)' 저널에 발표한 논문에서 신체 재생의 핵심 메커니즘을 밝혀냈다. 놀랍게도 그 핵심은 신경이 아닌 '기계적 부하', 즉 신체에 가해지는 물리적 힘이었다. 기계적 부하란 뼈에 가해지는 물리적인 힘으로, 압력, 장력, 전단력 등 다양한 형태로 작용한다. 걷거나 뛰는 등의 일상적인 활동은 물론, 운동이나 재활 치료를 통해서도 뼈에 기계적 부하가 가해진다. 기존의 재생 의학 연구는 주로 신경이나 성장 인자에 초점을 맞추었지만, 이번 연구는 기계적 부하의 중요성을 강조하며 새로운 치료법 개발에 대한 가능성을 제시한다. 무네오카 박사는 "부하가 없으면 아무 일도 일어나지 않지만, 부하가 다시 가해지면 짧은 지연 후 재생이 시작된다"고 설명했다. 이는 신경이 재생에 필수적인 요소가 아님을 명확히 보여준다. 포유류 재생의 미스터리⋯손가락 끝에 숨겨진 재생 능력 포유류의 뼈 재생은 복잡하고 제한적인 과정이다. 골절이 발생하면 골막에서 가골이 형성되어 손상 부위를 연결하지만, 큰 골절이나 복잡한 손상은 완전히 치유되지 않는 경우가 많다. 골 견인 신생술과 같은 수술적 기술은 뼈의 성장을 촉진하지만, 완전한 재생과는 거리가 멀다. 그러나 예외적인 사례가 있다. 바로 손가락 끝 재생이다. 인간과 쥐는 손가락 끝이 절단되면 놀라운 재생 능력을 보여준다. 절단된 뼈는 물론, 주변 조직까지 원래 상태로 복구되는 것이다. 이 독특한 현상은 오랫동안 과학자들의 호기심을 자극해 왔다. 무네오카 박사 연구팀은 손가락 끝 재생 과정을 면밀히 분석했다. 절단 후 초기에는 염증 반응과 함께 파골세포가 활성화되어 절단된 뼈의 추가적인 손실이 일어난다. 이후 배아형성체(blastema)라는 미분화 세포 덩어리가 형성되고, 여기서 다양한 세포들이 증식하며 새로운 뼈를 만들어낸다. 기계적 부하가 뼈 재생에 미치는 영향 흥미로운 점은 이 과정에서 기계적 부하가 결정적인 역할을 한다는 것이다. 물리적 힘이 부족하면 뼈 형성이 저하되는 현상이 관찰되었다. 무네오카 박사팀은 기계적 부하의 역할을 명확히 규명하기 위해 '후지 부하 모델'을 사용했다. '저널 오브 본 앤 미네랄 리서치'에 게재된 연구에서, 실험 동물의 뒷다리를 특수 장치를 이용하여 들어올려 무중력 상태와 유사한 환경을 조성하여 기계적 부하를 제거한 것이다. 그 결과, 재생 과정이 완전히 멈추는 것을 확인했다. 반대로, 기계적 부하를 다시 가하자 재생이 다시 시작됐다. 텍사스 A&M 대학교의 수의생리학 및 약리학과 책임자인 래리 수바 박사도 이 연구 결과를 높이 평가하며, "기존의 재생 연구에서 기계적 부하를 고려하지 않았다는 점에서 큰 전환점이 될 것"이라고 말했다. 그는 "기계적 부하는 성장 인자만큼이나 중요하다. 이는 앞으로 과학자들이 문제를 해결하는 방식에 근본적인 변화를 가져올 것"이라고 덧붙였다. 신경보다 중요한 기계적 부하 이 실험은 기존 과학계의 통념을 뒤엎는 결과였다. 지금까지 신경이 재생에 필수적인 요소로 여겨졌지만, '디벨롭멘탈 바이올로지'에 발표된 후속 연구에서 무네오카 박사팀은 기계적 부하가 더 중요한 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다. 심지어 신경이 제거된 손가락 끝도 기계적 부하가 가해지면 재생이 가능했다. 무네오카 박사는 "신경은 재생의 필수 요소가 아니라, 여러 요소 중 하나일 뿐"이라고 강조했다. 재생 의학의 새로운 지평⋯분자 칵테일, 희망을 불어넣다 무네오카 박사팀의 발견은 인간 사지 재생이라는 오랜 꿈을 현실로 만들 가능성을 제시한다. 연구팀은 기계적 부하를 모방하는 '분자 칵테일' 개발을 통해 물리적 힘 없이도 재생을 유도할 수 있을 것으로 전망한다. 이 분자 칵테일은 세포 성장과 분화를 조절하는 다양한 성장 인자와 신호 물질로 구성될 것으로 예상된다. 예를 들어, 뼈 형성을 촉진하는 BMP(뼈 형성 단백질), 혈관 생성을 촉진하는 VEGF(혈관 내피 성장 인자) 등이 포함될 수 있다. 물론 인간의 완전한 사지 재생까지는 아직 넘어야 할 산이 많다. 현재까지는 동물 실험 단계이며, 인간에게 적용하기 위해서는 추가적인 연구가 필요하다. 하지만 무네오카 박사팀의 연구는 중요한 돌파구를 마련했으며, 재생 의학 연구에 새로운 방향을 제시했다. 과학자들의 끊임없는 도전과 혁신이 계속된다면, 언젠가 인류는 사지 재생의 꿈을 이루고 질병과 사고로 고통받는 사람들에게 새로운 희망을 선사할 수 있을 것이다.
- 포커스온
2024-12-19 10:08:00
[신소재 신기술(141)] 칼텍, 인체 내 특정 부위에 치료 약물 전달하는 구형 마이크로 로봇 개발

미국 캘리포니아 공과대학교(칼텍·Caltech) 과학자들이 생체적합형 미세 하이브리드 마이크로 로봇을 개발해, 치료용 약물을 원하는 신체 부위에 주입하는 데 성공했다. 미래에는 치료용 약물을 체내 필요한 곳에 정확히 전달하는 것이 소형 로봇의 과제가 될 것이다. 금속 휴머노이드 로봇이나 생체를 모방한 로봇이 아니라 눈에 보이지 않을 정도로 작은 거품과 같은 구체가 될 것이다. 체내 실핏줄을 따라 이동해야 할 것이기 때문이다. 이러한 로봇의 개발은 까다롭다. 위산과 같은 체액으로부터 생존해야 하고 외부에서 제어가 가능해야 한다. 그래야 정확하게 목표 부위로 향할 수 있다. 또 목표에 도달했을 때만 치료제를 방출해야 하며, 그 후에는 인체에 해를 끼치지 않고 신체 내에서 흡수되어야 한다. 이런 모든 요건을 충족하는 마이크로 로봇이 칼텍(Caltech) 연구팀에 의해 개발되었다고 칼텍이 공식 홈페이지를 통해 밝혔다. 연구팀은 로봇을 사용해 쥐의 방광에 발생한 종양의 크기를 줄이는 치료제를 성공적으로 전달했다. 관련 논문은 사이언스 로보틱스(Science Robotics) 저널에 게재됐다. 연구팀이 개발한 로봇은 '생체흡수성 음향 마이크로 로봇(BAM)'이라고 명명됐다. 연구팀의 레이 가오 박사는 "약물을 신체에 주입하면 신체 모든 곳으로 확산된다. 우리가 개발한 마이크로 로봇은 종양 등 치료 대상 부위로 직접 안내해 통제되고 효율적인 방식으로 약물을 방출할 수 있다"고 말했다. 마이크로 또는 나노 로봇 개념은 새로운 것은 아니다. 전문가들은 지난 20년 동안 마이크로 로봇을 개발해 왔다. 그러나 혈액, 소변 또는 타액과 같은 복합적인 생체 유체에서 로봇을 정밀하게 움직이는 것은 매우 어렵기 때문에 생물 대상 적용은 제한적이었다. 특히 생체적합성 및 생체흡수성으로 신체에 독성 물질을 남기지 않아야 하는데, 이 역시 난제였다. 칼텍에서 개발한 마이크로 로봇은 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트라는 하이드로겔로 만들어진 미세한 구체다. 하이드로겔은 액체 또는 수지 형태로 시작해 내부에 있는 폴리머 네트워크가 굳어지면 고체가 되는 재료이다. 이러한 특성으로 하이드로겔은 다량의 액체를 유지할 수 있고, 많은 하이드로겔이 생체적합성을 갖는다. 또한 적층 제조 방법을 통해 구체의 외부에 치료용 약물을 탑재, 신체 내 목표 부위로 운반할 수 있다. 하이드로겔 레시피를 만들기 위해 연구팀의 일원이었던 줄리아 그리어는 '2광자 중합(TPP) 리소그래피'라는 기술을 활용, 3D 프린팅을 연상시키는 방식으로 복잡한 형태의 구조를 층층이 쌓아 올려 완성했다. 이 기술은 적외선 레이저 펄스를 사용해 특정 패턴에 따라 매우 정밀한 방식으로 감광성 폴리머를 가교시키는 기술이다. 그리어 팀은 직경 30마이크론의 미세 구조를 인쇄하는 데 성공했다. 이는 사람의 머리카락 직경과 비슷하다. 최종적으로 마이크로 로봇은 구체의 바깥쪽 내부에 자성 나노 입자와 치료 약물을 넣었다. 자성 나노 입자는 외부에서의 통제를 위한 것으로, 외부 자기장을 사용해 로봇을 원하는 위치로 안내할 수 있게 한다. 로봇이 목표 부위에 도달하면 그 자리에 머무르고 약물을 주입하게 된다. 연구팀은 마이크로 로봇의 외부를 친수성으로 설계해 구형 로봇이 신체를 통과할 때 뭉치지 않도록 했다. 그러나 마이크로 로봇의 내부는 기포를 가두어야 하기 때문에 친수성이어서는 안 된다. 그렇지 않으면 기포는 쉽게 붕괴되거나 용해된다. 가두어진 기포는 로봇을 이동시키고 실시간 이미징으로 추적하기 위해 중요하다. 외부는 친수성이고 내부는 소수성, 즉 물에 대한 저항성을 모두 갖춘 하이브리드 마이크로 로봇을 만들기 위해 연구팀은 2단계 화학적 변형을 고안했다. 먼저, 하이드로겔에 긴 사슬 탄소 분자를 부착해 전체 구조를 소수성으로 만들었다. 그런 다음 산소 플라즈마 에칭 기술을 사용해 외부의 긴 사슬 탄소 구조 일부를 제거함으로써 외부는 친수성으로, 내부는 소수성으로 남겼다. 이것이 이번 연구 프로젝트의 핵심 혁신이었다. 가오는 "내부는 소수성이고 외부는 친수성인 비대칭 표면 변형을 통해 소변이나 혈청과 같은 생체 유체에 장시간 기포를 가둘 수 있게 됐다“고 설명했다. 구형 마이크로 로봇 안에 있는 기포는 초음파 영상 대조제 역할을 한다. 기포를 통해 생체 내에서 움직이는 로봇을 실시간으로 모니터링할 수 있다. 연구팀은 마이크로 로봇이 목표 지점으로 이동하는 것을 추적하는 방법도 개발했다. 연구의 마지막 단계는 방광 부위에 종양이 있는 쥐에 대한 테스트였다. 연구팀은 21일 동안 마이크로 로봇을 통해 네 차례 치료제를 전달했다. 그 결과 로봇이 전달하지 않은 치료제보다 종양을 줄이는 데 더 효과적이라는 사실이 규명됐다. 연구팀은 이번 개발 결과는 환자에 대한 약물 전달 및 정밀 수술을 위한 매우 유망한 플랫폼이 될 것이라고 자평하고 사람에 대한 임상 실험을 거쳐 상용화가 필요하다고 주장했다.
- IT/바이오
2024-12-17 09:20:00
[기후의 역습(101)] 아마존의 '끓는 강' 보일링 리버, 가뭄 등 심각한 위협

아마존의 보일링 강의 수온이 점점 뜨거워지면서 식물에 악영향을 미치는 것으로 나타났다. 샤나이팀피슈카 또는 라 봄바라고도 불리는 보일링 강(Boiling River)은 이름 그대로 거대한 증기를 뿜는 '끓는 강'으로, 페루 동부와 중부를 흐르며 거대한 아마존 강으로 연결된다. 이 지역은 1930년대 석유 매장지를 찾으려는 화석연료 회사들이 샅샅이 탐사했지만, 보일링 강의 비밀은 과학자들이 지금에 와서야 자세히 밝히고 있다. 그 결과 보일링 강은 지하 깊은 곳의 지열원에 의해 가열된다는 것을 확인했다. 스위스 로잔 연방기술연구소(EPFL)의 식물 생태학 연구원 앨리사 쿨버그 박사는 2022년 미국 마이애미 대학교 라일리 포티에 연구원 및 페루의 연구진과 함께 이곳을 처음 방문했다. 연구진은 정글을 탐험하면서 보일링 강 주변 식물에 대한 탐사를 진행했고 최근 연구 보고서를 발표했으며 BBC가 이를 요약해 전했다. 탐사 결과 보일링 강을 따라 눈에 띄는 변화가 관찰됐다. 포티에에 따르면 숲은 큰 나무가 많지 않은 상태에서 무질서했으며 더 건조해졌고 잎은 더 바삭바삭 말랐다. 이는 기후 변화가 아마존을 어떻게 변화시킬 수 있는지를 보여주는 증거다. 지구 온난화로 인해 평균 기온이 높아졌기 때문에 일어난 결과라는 것이다. 보일링 강은 기후 변화에 기인한 밝지 않은 미래를 엿볼 수 있는 일종의 자연 실험이었다. 최근 발표된 연구 논문에서 포티에와 쿨버그 연구진은 강 구간을 따라 배치된 13개의 온도 측정 장치를 사용, 보일링 강 근처의 1년치 기온 판독값을 추적했다. 연평균 기온은 시원한 지역에서 섭씨 24~25도, 가장 따뜻한 지역에서 섭씨 28~29도로 다양하게 나타났다. 강을 따라 가장 더운 몇몇 지역에서 기록된 최고 기온은 섭씨 45도에 가까웠다. 팀은 강줄기를 따라 기온의 차이와 함께 어떤 식물 종이 존재하는지도 분석했다. 기온과 서식 식물 종은 중요한 상관관계를 갖고 있었다. 강이 뜨거운 곳에서는 식물의 밀도가 낮았고, 일부 종은 전혀 발견되지 않았다. 강의 하층에는 식물이 훨씬 적었다. 매우 찌는 습한 날씨에도 불구하고 초목은 훨씬 더 건조했다. 지구 온난화로 이 지역이 더 뜨거워지면 이런 현상이 가속돼 식물 생태계에 치명적인 영향을 미칠 것이라는 분석이다. 예컨대 최대 50m 높이까지 자랄 수 있는 큰 상록수는 강의 가장 뜨거운 부근에서 생존의 어려움을 겪었다. 전반적으로 더위는 생물 다양성에 부정적인 영향을 미치는 것으로 보였다. 고온에 내성이 강한 식물 종은 당연히 뜨거운 지역에서 더 흔하게 나타났는데, 이 지역에서는 매우 짧은 거리 안에서도 그런 현상이 나타나는 특이한 양태를 보였다. 연구 지역의 전체 길이는 2km를 넘지 않았는데, 온도가 일정 지점에 도달하자마자 식물은 거의 즉시 반응하는 것으로 나타났다. 기후 변화로 인한 이런 결과는 토착민에게 약영향을 끼칠 수 있다는 점에서 우려된다는 지적이다. 아마존의 원주민 집단은 이미 홍수와 가뭄 등 심각한 기상 위협에 직면해 있으며, 기후 변화로 인해 악화되고 있다. 브리스톨 대학교의 로돌포 노브레가 교수는 아마존의 더 높은 온도는 그곳에 서식하는 많은 식물의 기능 자체를 위협할 수 있다면서 보일링 강이 이를 완벽하게 보여준다고 강조했다. 노브레가는 "물이 있어도 기온이 상승하면 식물의 광합성 능력이 감소한다. 식물은 주변에 물이 있어도 기온 때문에 스트레스를 받는다"고 지적했다. 보일링 강의 기온 상승이 생물 다양성과 식물 성장에 어떤 영향을 미칠 수 있는지는 암시하지만, 거대한 아마존의 규모를 감안하면 이는 열대 우림의 미래를 정확히 반영하지는 않을 수 있다. 아마존 강은 브라질, 페루, 볼리비아, 콜롬비아, 해외 프랑스 영토인 프랑스령 기아나를 포함한 9개국에 걸쳐 흐르며 총 유역 면적은 670만㎢를 넘는다. 2023년에 발표된 글로벌 전환점에 대한 보고서는 아마존 열대 우림이 곧 정글보다는 사바나에 가까운 훨씬 더 건조한 곳으로 변할 위험이 있다고 지적했다. 보일링 강에 대한 연구는 아마존이 마주한 새로운 환경에서 어떤 식물 종이 생존할 가능성이 가장 높은지를 추론할 수 있다. 특정 식물이 보일링 강의 극한 환경에 대처할 수 있다면, 넓은 열대 우림의 어느 지역을 보호할 수 있는지를 결정하는 데 도움이 된다. 회복력이 강한 식물 종으로 구성된 숲에서 미세 기후를 유지하는 것도 가능하다. 연구팀은 아마존을 보호하는 것은 숲 자체를 넘어 인류를 보호하는 최고의 방법이라고 지적했다. 열대 우림이 사라지는 치명적인 임계점에 도달하면 전 세계가 피해를 입게 된다. 숲이 없어지면 많은 탄소가 대기로 올라가 기후에 영향을 미치고 이는 지역적인 문제를 넘어 전 세계를 위협한다. 연구팀은 보일링 강의 변화는 단순히 미래를 엿보는 것이 아니라 일종의 경고라고 강조했다.
- ESGC
2024-12-13 14:15:00
[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
[우주의 속삭임(86)] 우주 팽창 속도, 표준 우주론에 의문 제기⋯제임스웹 망원경, 허블 망원경 측정값 검증

우주가 천문학자들의 예상보다 빠르게 확장되고 있는 것으로 나타나 우주론 연구에 새로운 국면을 예고했다. 미국 항공우주국(나사·NASA)의 제임스 웹 우주 망원경은 우주의 팽창 속도가 예상보다 8% 빠르다는 것을 확인했다. 우주는 마치 오븐 속에서 머핀을 굽는 것처럼 확장된다는 것이다. 즉, 빵 반죽이나 머핀 반죽을 넣어 오븐에 구으면 빵이나 머핀이 커지는 것처럼 우주가 팽창된다는 것. 이때 머핀 속의 건포도나 블루베리는 오븐 속에서 머핀 반죽이 부풀어 오르면서 서로 멀어진다. 제임스 웹 망원경의 최신 관측 결과는 우주의 팽창 속도에 대한 기존 이론에 의문을 제기했다. 이는 단순한 측정 오류가 아닌, 우주 자체의 미지의 특징이 현재의 팽창 속도를 설명할 수 있음을 시사한다. 우주론적 난제 '허블 텐션' 심화 제임스 웹이 수집한 2년간의 데이터는 허블 우주 망원경이 이전에 발견한 우주의 팽창 속도가 천체물리학자들이 우주의 초기 조건과 수십억 년에 걸친 진화에 대해 알고 있는 이론에 근거해 예상했던 것보다 8% 빠르다는 것을 입증했다. 이 불일치를 '허블 텐션'이라고 한다. 허블 텐션은 현재까지 최고 우주 모델로도 설명되지 않은 난제로 남아 있다. 이번 연구는 허블 우주 망원경의 측정값을 검증하며, 우주의 팽창 속도를 나타내는 허블 상수 측정에서 나타나는 불일치, 즉 '허블 텐션'을 해결하기 위한 중요한 단서를 제공한다고 스페이스닷컴, PHYS, KSL.닷컴 등 다수 외신이 전했다. 우주 가속 팽창을 공동 발견한 공로로 2011년 노벨상 수상자이자 이번 연구의 주요 저자인 존스 홉킨스 대학교의 애덤 리스 교수는 "관측된 우주 팽장 속도와 표준 모델의 예측 사이의 불일치는 우리의 우주에 대한 이해가 불전할 수 있음을 시사한다"며 "두 개의 NASA 주력 망원경이 서로의 발견을 확인하는 현 상황에서, 우리는 이 문제를 매우 심각하게 받아들여야 한다. 이는 도전이지만 동시에 우리 우주에 대해 더 많이 배울 수 있는 놀라운 기회이기도 하다"라고 말했다. 이번 연구는 천체물리학 저널(Astrophysical Journal)에 게재됐으며, 리스 교수의 노벨상 수상 업적인 '암흑 에너지'에 의한 우주 가속 팽창 이론을 기반으로 한다. 암흑 에너지는 별과 은하 사이의 광활한 공간에 스며들어 우주의 팽창을 가속화시키는 미지의 에너지다. 우주의 약 27%를 차지한다고 생각되는 '암흑 물질'은 눈에 보이지 않지만 일반 물질(별, 행성, 달, 지구상의 모든 물질)에 미치는 중력 효과를 바탕으로 그 존재가 추정되는 가설적 물질의 한 형태다. 지구상의 모든 물질은 우주의 약 5%를 차지한다. 우주의 약 69%를 차지하는 것으로 추정되는 '암흑 에너지'는 우주의 광대한 공간에 스며들어 중력을 상쇄하고 우주의 가속 팽창을 주도하는 에너지의 한 형태라고 가정된다. 우주가 정적이지 않고 확장되거나 수축될 수 있다는 이론은 1922년 물리학자 알렉산더 프리드먼이 처음 발표했다. 그는 우주가 확장되고 있다는 것을 수학적으로 확인했다. 우주의 확장 속도를 더 깊이 들여다 본 사람은 에드윈 허블이었다. 허블은 1929년 우주 전체가 확장되고 있으며 확장 속도가 증가하고 있다는 것을 확인한 유명한 논문을 발표했다. 수수께끼의 '허블 상수' 연구팀은 웹 망원경이 우주에서 보낸 첫 2년 동안 수집한 방대한 데이터를 활용하여 허블 망원경의 허블 상수 측정값을 검증했다. 초신성을 포함하는 거리를 정하는 세 가지 방법을 사용했으며, 특히 허블 망원경으로 측정하여 가장 정확한 '국부적' 허블 상수 값을 제공하는 것으로 알려진 거리에 초점을 맞추었다. 두 망원경의 관측 결과는 매우 유사하게 일치해 허블 망원경의 측정값이 정확함을 보여줬으며, 허블 텐션을 허블 망원경의 오류로 돌릴 만큼 큰 오차가 없음을 확인했다. 그러나 허블 상수는 여전히 수수께끼로 남아 있다. 망원경 관측을 기반으로 한 현재 우주의 측정값은 우주 마이크로파 배경 복사 데이터를 사용하여 보정된 표준 우주론 모델의 예측 값보다 높기 때문이다. 표준 우주론 모델에 따르면 허블 상수의 값은 약 67~68km/Mpc(메가파섹, 은하의 거리 단위)이어야 한다. 반면, 허블과 웹 망원경 데이터 기반 측정값은 일반적으로 70~76km/Mpc의 더 높은 값을 나타냈다. 평균값은 73km/s/Mpc다. 이러한 불일치는 측정 또는 관측 기술의 오류로 설명하기에는 너무 큰 차이이기 때문에 10년 이상 우주론자들을 혼란스럽게 했다. 메가파섹(Mpc)은 326만 광년에 해당하는 엄청난 거리를 말한다. 1광년은 빛이 1년 동안 이동하는 거리로 5.9조마일이다. 웹 망원경의 새로운 데이터가 허블 망원경 측정의 유의미한 편향을 배제함에 따라, 허블 텐션은 아직 밝혀지지 않은 미지의 요인이나 우주론자들의 물리학적 이해의 틈에서 비롯될 수 있다고 연구팀은 보고했다. 존스 홉킨스 대학교에서 이 연구를 진행한 대학원생 사양 리는 "웹 망원경 데이터는 처음으로 고화질로 우주를 보는 것과 같으며 측정의 신호 대 잡음비를 실제로 향상시킨다"고 말했다. 우주 진화를 보여주는 허블 상수 이번 연구는 NGC 4258이라는 은하까지의 알려진 거리를 기준점으로 사용하여 허블 망원경의 전체 은하 샘플의 약 3분의 1을 다루었다. 더 작은 데이터 세트에도 불구하고 연구팀은 측정값 간의 차이를 2% 미만으로 줄이는 인상적인 정밀도를 달성했는데, 이는 허블 텐션 불일치의 약 8~9% 크기보다 훨씬 작다. 연구팀은 우주 거리 측정의 황금 표준인 세페이드 변광성 분석 외에도 동일한 은하에 걸쳐 탄소가 풍부한 별과 가장 밝은 적색 거성을 기반으로 측정값을 교차 검증했다. 세페이드 변광성은 변광성(變光星·광도가 변하는 별)의 한 유형으로 이들의 변광 주기와 절대광도 사이의 정확한 관계성으로 유명하다. 웹 망원경으로 관측된 모든 은하와 그 초신성은 허블 상수 72.6km/s/Mpc를 산출했으며, 이는 허블 망원경이 동일한 은하에서 발견한 72.8km/s/Mpc 값과 거의 동일하다. 이 연구에는 리스 교수의 SH0ES 팀(초신성, H0, 암흑 에너지 상태 방정식), 카네기-시카고 허블 프로그램, 그리고 다른 팀들의 웹 망원경 데이터 샘플이 포함됐다. 이러한 결합된 측정은 허블 망원경 세페이드 변광성을 사용하여 측정된 거리의 정확도에 대한 가장 정확한 결정을 가능하게 했다. 세페이드 변광성은 허블 상수를 결정하는 데 기본적인 역할을 한다. 세페이드 변광성들의 강도는 태양의 10³~10⁴배이다. 허블 상수는 태양계, 지구 또는 일상생활에 실질적인 영향을 미치지 않지만, 매우 큰 규모에서 우주의 진화를 보여준다. 이는 과학자들이 우주의 구조를 파악하고 빅뱅 이후 130~140억 년이 지난 현재 우주의 상태에 대한 이해를 심화하며 우주의 기본적인 측면을 계산하는 핵심 값이다. 존슨 홉킨스 대학교의 우주론자인 마크 카미온코프스키 교수는 허블 텐션을 해결하면 최근 몇 년 동안 밝혀진 표준 우주론 모델과의 다른 불일치에 대한 서로 다른 수요 관측 현상을 설명할 수 있다고 말했다. 그러나 우주의 구성과 가속 팽창의 96%를 차지하는 것으로 추정되는 미지의 구성 요소인 암흑 물질과 암흑 에너지의 본질을 완전히 설명하지는 못한다. 이번 연구에 참여하지 않은 카미온코프스키 교수는 "허블 텐션에 대한 한 가지 가능한 설명은 초기 우주에 대한 우리의 이해에 누락된 부분이 있는 경우다. 예를 들어 빅뱅 이후 우주에 예상치 못한 킥을 준 새로운 물질 성분인 초기 암흑 에너지가 존재할 수 있다"고 말했다. 그는 "그리고 재미있는 암흑 물질 특성, 이국적인 입자, 변화하는 전자 질량, 또는 원시 자기장과 같은 다른 아이디어들도 있다. 이론가들은 상당히 창의적일 수가 있다"고 덧붙였다.
- 포커스온
2024-12-11 11:35:00
[먹을까? 말까?(81)]"끓인 물 마시면 미세 플라스틱 걱정 뚝?"…간단한 방법으로 식수 오염 줄인다

물을 끓여서 마시면 미세 플라스틱을 현저히 낮출 수 있다는 연구 결과가 발표됐다. 식수에서 미세 플라스틱을 아주 간단하게 제거할 수 있는 방법이 공개됐다. 바로 끓인 물이다. 생수에서 미세 플라스틱이 발견됐다는 보도가 나온 후 물을 마실 때마다 '이 물은 과연 안전할까?'라고 끝없이 되묻게 된다. 미세 플라스틱은 특히 음식과 물을 통해 우리 몸속 깊숙이 침투하여 건강에 대한 우려를 높이고 있기 때문이다. 중국 광저우 의과대학과 지난 대학의 연구진은 최근 물에서 미세 플라스틱을 제거하는 간단하고 효과적인 방법을 발견했다고 사이언스얼라트가 보도했다. 연구진은 연수와 경수(미네랄 함량이 높은 물)를 사용하여 실험을 진행했다. 지난 2월 발표된 논문에서 연구진은 "중앙 집중식 정수 시스템을 통과하는 나노/미세 플라스틱(NMP)은 식수를 통해 인체에 잠재적인 건강 위험을 초래할 수 있어 전 세계적으로 우려가 커지고 있다"고 밝혔다. 물 끓이면 나노 플라스틱 최대 90% 제거 연구진은 물에 나노 플라스틱과 미세 플라스틱을 넣고 끓인 후 침전물을 걸러내는 방식으로 실험을 진행했다. 그 결과, 물의 종류에 따라 효과는 다르지만, 끓이고 거르는 과정을 통해 최대 90%의 나노 플라스틱이 제거되는 것으로 나타났다. 나노 플라스틱은 크기가 1마이크로미터(㎛) 미만인 아주 작은 플라스틱 입자를 말한다. 눈에 보이지 않을 정도로 너무 작아서 '눈에 보이지 않는 플라스틱'이라고도 부른다. 바다나 강에 버려진 플라스틱 쓰레기, 플라스틱 미세 섬유 등이 햇빛과 바람, 파도 등에 의해 작게 분해되어 나노 플라스틱이 된다. 미세 플라스틱은 나노 플라스틱보다 큰 약 5mm 미만으로 쪼개진 플라스틱 조각을 말한다. 미세 플라스틱과 나노 플라스틱은 뇌와 혈액, 생식기 등 인체 곳곳에서 발견되어 건강에 악영향을 미치고 있다. 광저우 의과대학의 생물의학 엔지니어 유지민과 연구진은 "이 간단한 물을 끓이는 전략은 가정의 수돗물에서 NMP를 '제거'할 수 있으며, 식수를 통한 인체 NMP 섭취를 무해하게 줄일 수 있는 잠재력이 있다"고 설명했다. 경수, 가열 시 석회질 생성으로 미세 플라스틱 제거 효과 높아 특히 경수는 가열하면 자연적으로 석회질(탄산칼슘)이 생성되어 미세 플라스틱 제거 효과가 더 높은 것으로 나타났다. 주방에서 물을 끓이는 주전자나 전기 포트(주전자)에 하얗게 남아 있는 석회질은 온도 변화에 따라 용액에서 탄산칼슘이 빠져나오면서 플라스틱 표면에 형성되는데, 이 과정에서 플라스틱 조각들이 석회질에 효과적으로 갇히게 된다. 연구진은 "실험 결과, 끓일 때 물의 경도가 증가할수록 나노 플라스틱 침전 효율이 증가하는 것으로 나타났다"며 "예를 들어 탄산칼슘 농도가 80mg/L일 때 34%였던 침전 효율은 180mg/L과 300mg/L에서 각각 84%와 90%로 증가했다"고 밝혔다. 탄산칼슘이 적게 용해된 연수에서도 약 25%의 NMP가 물에서 제거되었다. 연구진은 석회질이 붙은 플라스틱 조각들은 차를 거르는 데 사용하는 스테인리스 스틸 망과 같은 간단한 필터를 통해 제거할 수 있다고 설명했다. 끓인 물 마시기, 미세 플라스틱 노출 줄이는 현실적 전략⋯"일상생활 속 실천 중요" 과거 연구에서는 식수에서 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등의 미세 플라스틱 조각들이 검출된 바 있다. 이는 우리가 모르는 사이에 매일 다양하게 많은 양을 섭취하고 있는 것들이다. 연구진은 끓인 물 전략을 최종적으로 검증하기 위해 더 많은 나노 플라스틱 입자를 추가했으며, 그 결과 효과적으로 입자 수가 감소하는 것을 확인했다. 연구진은 "끓인 물을 마시는 것은 전 세계적으로 NMP 노출을 줄이는 현실적인 장기 전략"이라며 "끓인 물을 마시는 것은 지역적 전통으로 여겨지며 일부 지역에서만 행해지고 있다"고 지적했다. 플라스틱이 전 세계를 뒤덮고 있는 가운데, 연구진은 끓인 물을 마시는 것이 더욱 널리 보편화되기를 희망하고 있다. 미세 플라스틱, 장내 미생물 변화 및 항생제 내성과 연관⋯추가 연구 필요 아직 플라스틱이 우리 몸에 정확히 어떤 손상을 주는지 확실하지 않지만, 건강에 해롭다는 것은 분명하다. 플라스틱은 이미 장내 미생물 변화 및 신체의 항생제 내성과 연관된 것으로 밝혀졌다. 이번 연구를 진행한 연구진은 끓인 물이 인체 내 인공 물질 유입을 막고, 미세 플라스틱의 부정적인 영향에 대응할 수 있는 방법에 대한 추가 연구가 필요하다고 강조했다. 연구진은 "이번 연구 결과는 인간의 NMP 노출을 줄이는 매우 실현 가능한 전략을 입증했으며, 더 많은 샘플을 사용한 추가 연구의 기반을 마련했다"고 밝혔다. 이 연구는 환경 과학 및 기술 레터(Environmental Science & Technology Letters)에 게재됐다.
- 생활경제
2024-11-29 16:13:00
[신소재 신기술(137)] 혈액으로 만든 맞춤형 3D 프린팅 임플란트, 재생 의료의 새 지평 열까

영국에서 자신의 혈액을 사용해서 재생 치유 능력을 60% 이상 높인 3D 프린팅 임플란트가 개발됐다. 우리 몸의 면역 체계는 재생 혈종(RH)을 조절하여 작은 파열이나 골절을 효과적으로 치료하는 능력을 가지고 있다. RH는 다양한 분자 및 세포 과정을 조율하는 복잡하고 역동적인 환경으로 완전한 조직 복구를 보장한다. 최근 영국 노팅엄 대학교 약학 및 화학 공학 연구팀은 이러한 자연 치유 과정을 활용하여 개인 맞춤형 재생 소재를 만드는 '생체협력적' 접근법을 제시했다. 혈액을 기반으로 하는 이 기술은 부상 및 질병 치료에 효과적인 맞춤형 재생 혈액 제품 개발로 이어질 수 있다. 해당 논문에 대해서는 테크 익스플로리스트와 뉴아틀라스 등 다수 외신이 보도했다. 연구팀은 자연 조직 치유에 관여하는 필수 과정을 유도하는 펩타이드 분자 조직을 사용해 조직 재생을 촉진하는 생체 소재를 개발했다. 대부분의 신체 조직은 복잡한 치유 과정을 통해 작은 파열이나 골절을 효율적으로 재생시킬 수 있다. 초기 단계에서는 액체 혈액이 고체 RH를 형성하는 데, 이는 재생에 필수적인 세포, 거대 분자와 요소를 포함하는 살아 있는 미세 환경이라 할 수 있다. 팀은 합성 펩타이드와 환자의 혈액을 결합하는 자가 조립 기술을 개발해 자연 치유 과정의 핵심 분자, 세포 및 메커니즘을 포착하는 소재를 만들었다. 이를 통해 RH를 모방하고 구조적 및 기능적 특성을 향상시키는 재생 소재를 제작할 수 있었다. 이러한 소재는 정상적인 혈소판 행동, 성장 인자 생성, 치유에 필수적인 세포 모집 등 RH의 자연적 기능을 유지하면서 쉽게 조립하고 조작 및 3D 프린팅이 가능하다. 연구팀은 이 방법을 사용해 동물 모델에서 동물 자신의 혈액을 활용하여 뼈를 성공적으로 복구하는 것을 입증했다. 팀은 두개골에서 뼈 일부를 수술로 제거한 쥐를 대상으로 실험을 진행했다. 쥐의 혈액에서 새로운 RH 구조물을 배양해 제거된 두개골 뼈 틈새에 이식한 결과, 부상 부위가 재생의 징후를 보였다. 6주 후 새로운 RH 구조물이 투입된 쥐는 새로운 뼈가 최대 62% 생성됐다. 반면, 시중에서 판매되는 뼈 대체물을 사용한 쥐는 50%가 재생됐다. 아무 것도 처리하지 않은 대조군 쥐는 뼈가 30%만 재생되는 데 그쳤다. 알바로 마타 노팅엄 대학교 생체 의학 공학 및 생체 재료 교수는 "수년 동안 과학자들은 자연 재생 환경을 재현하기 위한 합성적 접근 방식을 연구해 왔지만, 고유한 복잡성으로 인해 어려움을 겪었다"며 "이번 연구에서는 재생 환경을 재현하는 대신 생물학적 시스템과 협력하는 방식을 택했다"고 설명했다. 코시모 리고리오 공학부 박사는 "사람들의 혈액을 고도로 재생 가능한 임플란트로 쉽고 안전하게 바꿀 수 있는 가능성은 매우 흥미롭다"며 "혈액은 사실상 무료이며 환자로부터 비교적 많은 양을 쉽게 얻을 수 있다. 우리의 목표는 환자의 혈액을 풍부하고 접근 가능하며 조정 가능한 재생 임플란트로 빠르고 안전하게 변화하기 위해 임상 환경에서 쉽게 접근하고 사용할 수 있는 도구 키트를 구축하는 것이다"라고 밝혔다. 이 연구는 어드밴스트 머티리얼(Advanced Materials) 저널에 게재됐다.
- IT/바이오
2024-11-26 16:20:00
[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
[우주의 속삭임(77)] 중국 탐사선, 화성 고대 바다 존재 증거 발견…과학계 논쟁 가열

중국의 화성 탐사 로버 '주롱(Zhurong)'이 고대 화성에 광활한 바다가 존재했음을 뒷받침하는 새로운 증거를 발견했다는 연구 결과가 발표되어 과학계의 이목이 집중되고 있다. 8일 네이처(Nature)지에 게재된 연구 논문에 따르면, 주롱은 2021년 화성 북반구 유토피아 평원에 착륙한 이후 고대 바다의 흔적으로 추정되는 다양한 지형적 특징을 포착했다고 야후 뉴스가 이날 보도했다. 연구를 이끈 홍콩 폴리텍 대학교의 우보(Wu Bo) 교수는 주롱의 착륙 지점 주변에서 "움푹 패인 원뿔형 구조, 다각형 홈, 침식된 흔적" 등 과거 바다의 존재를 시사하는 여러 특징을 발견했다고 밝혔다. 특히, 연구팀은 주롱이 수집한 정보와 위성 데이터 분석을 통해 이 지역 근처에 과거 해안선이 존재했을 가능성을 제기했다. 이들은 약 37억 년 전 홍수로 인해 바다가 형성되었고, 이후 바닷물이 얼어붙으면서 해안선이 만들어졌으며, 34억 년 전쯤 사라졌을 것으로 추정했다. 그러나 이러한 연구 결과에 대한 반론도 제기되고 있다. 펜실베이니아 주립 대학교의 벤자민 카르데나스 교수는 화성의 강한 바람이 수십억 년 동안 퇴적물을 이동시키고 암석을 침식시켰을 가능성을 간과했다며 연구 결과에 회의적인 입장을 보였다. 그는 과거 모델링 연구 결과를 인용하며 "느린 화성 침식 속도로도 오랜 시간에 걸쳐 해안선의 흔적이 사라질 수 있다"고 주장했다. 이에 대해 우보 교수는 바람에 의한 침식 가능성을 인정하면서도, 운석 충돌로 인해 지하 암석과 퇴적물이 지표면으로 노출될 수 있다는 점을 강조했다. 화성 바다 존재 여부에 대한 논쟁은 여전히 진행 중이지만, 이번 연구 결과는 화성 생명체 존재 가능성에 대한 탐구에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다. 카르데니아 교수는 "대부분의 과학자들은 지구 생명체가 해저 열수 분출구 주변이나 바닷물과 공기가 만나는 조간대에서 발생했다고 생각한다"며 "바다 존재 증거는 화성 생명체 서식 가능성을 높이는 요인"이라고 설명했다. 이번 연구는 화성의 과거 환경을 이해하고 생명체 존재 가능성을 탐색하는데 중요한 발검음이 될 것으로 평가되며, 향후 화성 암석 샘플을 지구로 가져와 분석하는 임무를 통해 더욱 명확한 결론을 얻을 수 있을 것으로 예상된다.
- IT/바이오
2024-11-08 16:28:00
나노 기술로 건물 안전 진단⋯한국기계연구원, 색상 변화 감지하는 센서 개발

한국기계연구원(이하 기계연)이 나노 기술을 이용하여 건축물의 노후화를 육안으로도 진단할 수 있는 혁신적인 센서를 개발했다. 4일 기계연에 따르면 나노융합연구본부 윤재성 책임연구원 연구팀은 건축물에 부착하는 나노 필름 형태의 센서를 통해 색상 변화를 감지하고, 이를 통해 건축물의 변형 정도를 정밀하게 측정하는 기술을 선보였다. 이 센서는 자연에서 관찰되는 '구조색'의 원리를 응용했다. 구조색은 색소가 아닌 물체의 미세 구조에 의해 빛이 반사되면서 나타나는 색상으로, 공작새 깃털이나 나비 날개에서 볼 수 있는 아름다운 색깔이 대표적인 예이다. 연구팀은 이러한 구조색의 원리를 이용하여 나노 패턴을 설계, 센서에 가해지는 기계적 변형량에 따라 색상이 변화하도록 했다. 육안으로 확인하는 건축물 안전 특히, 이번에 개발된 나노 패턴은 기존 기술의 한계였던 관찰 각도에 따른 색상 변화 문제를 해결하여, 어느 각도에서든 일정한 색상을 유지하도록 설계했다. 또한, 색상 변화 이미지를 인공지능 기술과 접목하여 위험 여부를 판단하는 모니터링 솔루션도 구축했다. 이 센서는 색소나 염료, 별도의 전원 없이 작동 가능하며, 패치 형태로 건축물에 부착하여 육안으로도 안전성을 쉽게 확인할 수 있다는 장점이 있다. 연구팀은 이 기술과 관련하여 10건 이상의 국내 특허와 1건의 국제 특허를 출원했으며, 관련 기업과 기술이전을 추진 중이다. 윤재성 책임연구원은 "이번에 개발된 나노 필름 센서는 건축물의 변형 여부와 안전성을 간편하게 진단할 수 있는 획기적인 기술"이라며, "건축물 안전 관리 분야에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다. 이번 연구 결과는 재료과학 분야의 권위 있는 국제 학술지 'ACS 어플라이드 나노 머티리얼즈' 9월 13일 자 표지논문으로 게재되어 그 우수성을 인정받았다. 한편, 나노 기술은 10억분의 1미터, 즉 나노미터 크기의 물질을 다루는 기술이다. 쉽게 말하면 머리카락 굵기의 10만분의 1정도에 해당하는 아주 작은 크기다. 이렇게 작은 크기에서는 물질의 성질이 완전히 달라지는 데, 나노 기술은 바로 이러한 특성을 이용해 새로운 물질이나 소재를 만들어 내는 가술이다. 이러한 나노 기술은 약물 전달이나 전자 기기, 섬유 제작,자어ㅣ선 차단제 등에 활용된다. 나노 기술로 제작된 섬유는 오염 물질이 묻지 않고 주름도 잘 생기지 않는 특징이 있다.
- 산업
2024-11-04 11:20:00
[신소재 신기술(125)] 양자 '슈뢰딩거의 고양이' 23분간 유지 성공…양자역학 새 지평 열어

과학자들이 양자 고양이 상태를 무려 23분(1400초) 이상 유지해 기존 기록을 경신했다. 중국 과학기술대학교 연구진이 '슈뢰딩거의 고양이' 상태를 1400초(약 23분 33초) 동안 유지하는 데 성공했다는 연구 결과를 발표했다고 IFL사이언스가 전했다. 이는 양자 중첩 상태를 장시간 유지한 세계 최장 기록으로, 고정밀 특정 및 양자 컴퓨터 정보 처리 분야에 새로운 가능성을 제시할 것으로 기대된다. 슈뢰딩거의 고양이는 양자역학의 원리를 설명하는 데 자주 사용되는 비유로 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 1935년에 고안한 사고 실험이다. 이 실험은 양자 역학의 불완전함을 보여주기 위해서 고안됐다. 실험 원리는 다음과 같다. 상상속의 밀폐된 상자 안에 고양이 한 마리가 들어있다. 또 상자 안에는 방사성 물질과 연결된 독가스 장치가 있다. 방사성 물질은 1시간 안에 50%의 확률로 붕괴한다. 만약 붕괴하면 독가스가 방출되어 고양이가 죽고, 붕괴하지 않으면 고양이가 살아 있다. 여기서 중요한 점은 상자를 열어보기 전까지는 고양이가 죽었는지 살았는지 확인할 수 없다는 것이다. 양자역학에 따르면, 상자를 열어 확인하기 전까지 고양이는 죽어 있는 상태와 살아 있는 상태가 중첩되어 존재한다. 즉, 고양이는 살아 있으면서 죽어 있는 상태다. 슈뢰딩거는 이 실험을 통해 양자역학의 '중첩' 해석에 의문을 제기했다. 거시세계에서는 고양이가 죽었거나 살았거나 둘 중 하나이며 중첩된 두 가지 상태가 동시에 존재할 수 없기 때문이다. 즉, '슈뢰딩거의 고양이'는 양자역학의 불확실성을 설명하는 사고 실험으로, 상자 속 고양이가 살이 있는 상태와 죽어 있는 상태가 중첩되어 존재한다는 개념이다. 연구팀은 1만개의 이터븀 원자를 절대영도보다 몇 천분의 1도 높은 온도로 냉각시키고 빛을 이용하여 포획하는 실험을 진행했다. 각 원자는 정밀하게 제어되어 두 가지 스핀 상태의 중첩 상태, 즉 '양자 고양이' 상태를 형성했다. 이번 연구에서 주목할 점은 양자 고양이 상태의 유지 기간이다. 자연 상태에서는 중첩 상태가 순식간에 붕괴되지만, 이번 실험에서는 1400초 동안 유지됐다. 연구진은 진공 개념을 개선하면 유지 시간을 더욱 늘릴 수 있을 것으로 예상했다. 인도 캘거리 대학교의 배리 센더스 교수는 "이터븀 원자를 이용해 안정적인 양자 고양이 상태를 구현한 것은 놀라운 성과"라며 "이를 통해 미세한 외부 영향을 감지하고 상호 작용을 연구하는 데 활용할 수 있다"고 평가했다. 센더스 교수는 이 연구에 참여하지는 않았다. 이번 연구는 이터븀 원자를 이용한 장치가 자기장 측정에 매우 민감하게 반응한다는 사실을 밝혀냈으며, 다양한 분야의 응용 가능성을 제시했다. 양자역학 분야에서는 지난해에 16 마이크로그램의 결정을 중첩 상태로 만드는 실험이 성공하는 등 끊임없는 혁신이 이루어지고 있다. 이번 연구 결과는 아직 동료 평가를 받지 않았으며, 관련 논문은 아카이브(arXiv)에서 확인할 수 있다.
- IT/바이오
2024-11-01 13:05:00
[퓨처 Eyes(56)] 전기 농업, 식량 위기 극복할 미래 농업의 혁신

햇빛 없이도 식물을 키운다? 마치 공상과학 영화에서나 나올 법한 이야기지만, 현실이 될 날이 머지않았다. 광합성은 지구 생명체의 근원이지만 에너지 효율은 겨우 1%에 불과하다. 이 비효율을 극복하고 미래 식량 위기를 해결할 혁신적인 기술이 바로 '전기 농업(electro-agriculture)'이다. 최근 생명공학 학술지 줄(Joule)에 발표된 논문에서 생명공학자들은 전기 농업이라는 새로운 식량 생산 패러다임을 선보였다. 태양 에너지를 이용해 CO₂를 식물의 먹이로 바꾸는 이 기술은, 햇빛에 의존하는 광합성을 대체하며 농업에 필요한 토지는 94%로 감소해 농업의 미래를 뒤흔들 잠재력을 지녔다. 광합성을 대체하는 전기 농업 캘리포니아 리버사이드 대학교의 생물공학자 로버트 진커슨(Robert Jinkerson) 교수와 워싱턴대학교 세인트루이스 캠퍼스의 전기화학자인 펑 지아오(Feng Jiao) 교수는 새로운 전기 농업 기술을 통해 농작물이 빛이 없는 환경에서도 자랄 수 있는 가능성을 제안했다. 농업의 혁신을 가져올 수 있다고 확신하는 진커슨은 "더 이상 햇빛을 필요로 하지 않는다면, 우리는 농업을 환경으로부터 완전히 분리해 통제된 실내 환경에서 식량을 재배할 수 있다"고 강조한다. 이는 농업이 더 이상 기후나 조건에 영향을 받지 않고 언제 어디서든 필요한 식량을 생산할 수 있음을 의미한다. 전기 농업은 단순히 빛을 대체하는 것 이상의 의미를 갖는다. 진커슨 교수의 연구팀은 태양광 패널을 통해 태양 에너지를 흡수하고, 이 에너지를 CO₂와 물 사이의 화학 반응에 활용해 아세트산염을 생성한다. 이 아세트산염은 식물이 에너지와 탄소 공급원으로 사용하게 된다. 진커슨 교수는 "우리는 식물의 발아 과정에서 사용되는 대사 경로를 다시 활성화시켜, 식물이 광합성 없이 아세트산염만으로도 자랄 수 있도록 연구하고 있다"고 덧붙였다. 현재 토마토와 상추를 대상으로 실험 중이며, 향후 고구마나 곡물 등 주요 작물로도 확장할 계획이다. 이 기술이 상용화될 경우, 전통 농업에서 발생하는 온실가스 배출을 크게 줄일 수 있다. 펑 자오 교수는 "현재 약 4%의 에너지 효율을 달성했으며, 이는 기존 광합성의 4배 수준이다. 이 방식이 더 효율적이기 때문에 식량 생산에 따른 CO₂ 배출량을 크게 감소시킬 수 있을 것"이라고 전망했다. 이는 농업의 환경적 부담을 대폭 줄일 뿐만 아니라, 식량 생산의 새로운 장을 열 수 있음을 의미한다. 빛 없도 농사를 지을 수 있는 전기 농업은 우주에서의 까다로운 식량 생산 문제도 해결할 수 있다. 기존 농업은 심각한 삼림 벌채로 이어지는 경우가 많은 데, 이는 생물다양성 손실과 기후 변화의 주요 원인이 되도 한다. 전기 농업은 작물 생산에 필요한 토지의 양을 대폭 줄임으로써 토지 개간에 따른 생태적 피해의 일부를 회복시킬 수 있다. 아울러 수로를 오염시키고 수생태계에 영향을 미칠 수 있는 비료와 살충제에 대한 의존도를 낮추므로 지속 가능한 식량 생산에 대한 유망한 대안을 제시한다. 전기 자극을 통한 수확량 증대 전기 농업의 또 다른 중요한 연구는 전기를 이용해 농작물의 성장을 촉진하는 방법이다. 이 기술은 19세기 말에서 20세기 초에 잠시 유행했던 '전기 재배(electroculture)'의 현대적 버전으로 볼 수 있다. 당시에는 전기를 식물에 직접 적용해 수확량을 늘리거나 해충을 제거하려는 시도가 있었으나, 명확한 과학적 근거 없이 실패한 사례들이 많았다. 하지만 오늘날 연구자들은 더 정교한 방법으로 전기를 농업에 적용하고 있다. 미국 앨라배마주의 오크우드 대학교 생화학자인 알렉산더 볼코프(Alexander Volkov) 교수는 저온 플라즈마(Cold Plasma)를 이용해 씨앗을 자극하는 연구를 진행 중이다. 이 연구에서는 식물의 수확량이 20~75% 증가한 결과를 얻었으며, 감자의 경우 수확량이 40%까지 늘어났다. 볼코프 교수는 "우리는 씨앗을 플라즈마로 1분 미만 처리했을 때, 수확량이 눈에 띄게 증가하는 것을 확인했다. 양배추 수확량도 75% 증가했으며, 맛도 더 달았다"라고 밝혔다. 씨앗의 플라즈마 처리는 농업 분야에 떠오르는 기술로, ㅊ플라즈마를 이용해 씨앗의 발아율을 높이고 생장을 촉진하는 기술이다. 플라즈마는 고체, 액체, 기체 상태 다음의 제4의 물질로, 이온, 전자, 중성 입자 등으로 구성된 이온화된 기체이다. 플라즈마는 씨앗 껍질의 표면을 변화시켜 물 흡수율을 높이고, 발아에 필요한 효소 활성을 증가시켜 발아율을 향상시킨다. 또한 플라즈마는 씨앗 내부의 생화학적 반응을 촉진해 뿌리와 씨앗의 생장을 촉진한다. 게다가 플라즈마는 씨앗 표면의 박테리아, 곰팡이 등 병원균을 살균해 씨앗의 건강을 증진시킨다. 저온 플라즈마는 단순히 씨앗의 수확량을 증가시키는 것뿐만 아니라 씨앗이 발아할 때 환경 스트레스를 덜 받게 만들어 준다. 셰튼홀 대학교의 호세 로페즈(Jose Lopez) 교수는 "씨앗이 처음 발아할 때는 외부 환경의 스트레스에 매우 취약하다. 플라즈마는 씨앗의 껍질을 미세하게 구멍을 내어. 씨앗이 물과 양분을 더 쉽게 흡수할 수 있도록 돋븐다"고 설명했다. 그 결과 플라즈마로 처리된 씨앗은 처리되지 않은 씨앗보다 훨씬 더 빠르게 자란다. 전기 농업의 미래 전기 농업을 도입한다면 자연 서식지의 점진적인 복원이 용이해지고, 생물 다양성이 향상되며 탄소 발자국을 줄일 수 있다. 이처럼 엄청난 잠재력에도 불구하고, 전기 농업은 여전히 해결해야 할 과제가 남아 있다. 핵심 문제로는 태양열 화학 반응기의 초기 설치 비용과 유지 관리, 그리고 대규모 실내 농업시설을 지원하는 데 필요한 인프라를 꼽을 수 있다. 또한 아세트산을 주요 에너지 원으로 사용할 때 식물 생리학에 미치는 장기적인 영향을 이해하기 위해서는 추가 연구가 필요하다. 진커슨은 "식물의 경우, 식물이 이런 방식으로 성장하도록 진화하지 않았기 때문에 아세트산염을 탄소원으로 활용하도록 하는 연구 개발 단계에 있다"고 말했다. 그는 "하지만 버섯과 효모, 해조류는 현재 이런 방식으로 재배할 수 있으므로 이러한 응용 분야가 먼저 상용화되고 식물은 나중에 상용화될 것으로 생각한다"고 덧붙였다. 전기 농업이 성공한다면 식량 생산 자체에 혁명을 일으킬 수 있는 환경 친화적이고 공간 효율적인 방법이 될 수 있다.
- 포커스온
2024-10-31 15:27:00
해양 오염 해결? 생분해 플라스틱, 종이보다 빠른 분해 속도

바다에서 종이보다 더 빨리 분해되는 새로운 생분해성 플라스틱이 개발됐다. 미국 과학자들이 개발한 셀룰로오스 다이아세테이트(CDA)로 만들어진 플라스틱이 해양 환경에서 종이보다 빠르게 생분해되는 것으로 밝혀졌다고 뉴아틀라스가 전했다. 이는 매년 수백만톤의 플라스틱이 바다로 유입되는 문제에 대한 해결책이 될 수 있을 것으로 기대된다. CDA는 면이나 목재 펄프에서 추출한 셀룰로오스를 가공하여 만든 생분해성 플라스틱으로, 1800년대 후반부터 선글라스 프레임, 담배 필터, 사진 필름 등 다양한 제품에 사용되어 왔다. 플라스틱 오염의 가장 큰 문제점은 자연적으로 분해되는 데 수백년이 걸린다는 점이다. 또한 플라스틱은 완전히 분해되지 않고 미세 플라스틱이라는 작은 조각으로 쪼개진다. 미세 플라스틱이 더 잘게 쪼개지면 나노 플라스틱이 된다. 크기가 최대 5mm에 달하는 이들 미세 플라스틱은 토양과 바다를 오염시키고 먹이 사슬을 통해 동물의 몸에 축적되며, 결국 인간의 식탁에 올라 건강에 악영향을 미칠 수 있다. 플라스틱, 특히 폴리에티렌 테레프탈레이트(PET)는 자연 분해가 어려워 환경 오염의 주범으로 꼽힌다. PET는 전세계 플라스틱 사용량의 12%를 차지하며, 하수구에 존재하는 미세 플라스틱의 최대 50%가 여기에 속한다. 참고로 미국에서 매년 최대 4000만톤의 플라스틱 폐기물을 배출한다. CDA, 발포 공정 통해 분해 속도 높여 미국 우즈홀 해양연구소(WHOI) 연구팀은 CDA가 해수에서 가장 빠르게 분해되는 플라스틱임을 확인했다. 특히, '발포'라는 공정을 통해 CDA를 다공성으로 만들면 분해 속도가 최대 15배까지 빨라져 종이보다도 빠르게 분해된다. 연구팀은 36주간의 실험을 통해 해수 탱크에 담긴 CDA 발포체가 기존 질량의 65~70%를 손실하는 것을 확인했다. 반면, 스티로폼(폴리스틸렌)은 같은 기간 동안 전혀 분해되지 않았다. 이번 연구는 매사추세츠 주 케이프 코드 근처의 마사드 빈야드 사운드의 실험실 환경에서 진행되었으며, 빛, 온도 등 다양한 변수를 제어하여 실제 해양 조건을 구현했다. 실험 결과 CDA 발포체는 기존 CDA보다 190% 빠른 분해 속도를 보였다. 이는 종이 빨대보다도 더 빠른 분해 속도다. 다행인 점은 CDA 발포체의 성공적인 결과를 바탕으로, 이미 생분해성 및 퇴비화 가능한 포장재가 개발되어 기존 스티로폼 육류 포장재를 대체하고 있다. 이번 연구 결과는 해양 플라스틱 오염 문제 해결에 중요한 발걸음이 될 것으로 평가된다. 해당 연구 논문은 저널 ACS 퍼블리케이션스(ACS Publications)에 게재됐다.
- 생활경제
2024-10-21 16:15:00
[우주의 속삭임(72)] 화성, 얼음 아래 생명체 존재 가능성⋯NASA 연구 결과 발표

화성에 과연 생명체가 존재할 수 있을까? 화성은 태양계에서 지구와 가장 닮은 행성으로, 붉은색 표면과 극지방의 만년설, 과거 물이 흘렀던 흔적 등 다양한 특징을 가지고 있다. 화성은 표면에 산화철이 풍부해 붉게 보인다. 이 때문에 '붉은 행성'이라는 별명을 가지고 있다. 과거에 물이 존재했던 흔적이 발견되면서 생명체가 존재했거나, 존재할 가능성이 제기되고 있다. 미국 항공우주국(나사·NASA)은 최근 홈페이지를 통해 화성 표면의 얼음 아래에 미생물이 서식할 수 있는 환경이 조성될 수 있다는 가능성을 제시했다고 밝혔다. NASA 연구진은 컴퓨터 모델링을 통해 화성의 얼음을 투과하는 햇빛의 양이 얼음 아래 얕은 물웅덩이에서 광합성을 일으키기에 충분하다는 것을 보여주었다. 지구에서도 얼음 내부에 형성된 유사한 물웅덩이에서 조류, 균류, 미세한 시아노박테리아(남조류) 등 광합성을 통해 에너지를 얻는 다양한 생명체가 발견됐다. 이 연구의 주요 저자인 NASA 제트추진연구소의 아디티아 쿨러는 "우주 어딘가에서 생명체를 찾고 있다면, 화성의 얼음층은 가장 근접하기 쉬운 장소 중 하나일 것"이라고 말했다. 화성 먼지 쌓인 얼음층 주목 연구진은 화성의 먼지가 섞인 얼음층에 주목했다. 나사에 따르면 화성에는 얼어붙은 물과 얼어붙은 이산화탄소라는 두 가지 얼음이 존재한다. 쿨러와 그의 동료 연구진은 네이처 커뮤니케이션즈 지구와 환경(Nature cummunications Earth & Environment)에 게재된 논문에서 과거 수백만년 동안 화성의 빙하기에 눈과 먼지가 섞여 표면에 떨어져 형성된 얼음층을 조사했다. 먼지 입자는 깊은 곳까지 햇빛이 도달하는 것을 막을 수 있지만, 표면 근처에서는 햇빛을 흡수해 얼음을 녹이고 얕은 웅덩이를 만들 수 있다. 지구에서도 먼지가 섞인 얼음에서 '크라이오코나이트(Cryconite) 구멍' 이라는 작은 공간이 형성되는 현상이 흔히 관찰된다. 바람에 날린 먼지 입자가 얼음에 쌓이고 햇빛을 흡수하면서 얼음이 녹아 물 웅덩이가 만들어지는 것이다. 어두운 먼지는 주변 얼음보다 더 많은 햇빛을 흡수해 얼음이 따뜻해지고 표면 아래 몇 피트까지 녹을 가능성이 있다. 이러한 물웅덩이는 조류 등 단순한 생명체에게 생존에 필요한 환경을 제공한다. 연구진은 이러한 현상이 화성에서도 일어날 수 있으며, 먼지가 섞인 얼음층 아래 3m 깊이까지 광합성이 가능할 정도의 햇빛이 도달할 수 있다고 분석했다. 또한, 얼음층은 얕은 물웅덩이의 증발을 막고 유해한 방사선으로부터 생명체를 보호하는 역할도 할 수 있다. 연구진은 화성의 북반구와 남반구의 위도 30도에서 60도 사이 지역에서 이러한 얼음층이 존재할 가능성이 높다고 예측했다. 쿨러는 앞으로 실험실에서 화성의 먼지가 섞인 얼음을 재현해 추가 연구를 진행하고, 화성에서 얕은 물웅덩이가 존재할 가능성이 높은 지역을 지도로 만들어 미래의 탐사 목표를 설정할 계획이다.
- IT/바이오
2024-10-21 10:53:00
[신소재 신기술(122)]MRI, AI 모델 학습으로 뇌 이상 진단 정확도 높인다

미국 과학자들이 뇌의 이상을 진단하는 MRI(자기공명영상)의 정확도를 높이는 머신러닝 모델을 개발했다. 캘리포니아대 샌프란시스코(UCSF) 연구팀이 인공지능(AI)을 활용하여 3T MRI 화질을 7T MRI 수준으로 향상시키는 기술을 개발했다고 뉴로사이언스닷컴 뉴스가 전했다. 이 연구는 지난 7일 제27회 의료영상 컴퓨팅 및 컴퓨터 지원 개입 국제 학술대회(MICCAI)에서 발표됐다. 수석 연구 저자인 UCSF 신경과 조교수인 레자 아바시아슬(Reza Abbasi-Asl)은 "저희 논문은 낮은 품질의 이미지에서 고품질 MRI를 합성하는 머신러닝 모델을 소개한다. 이 AI 시스템이 외상성 뇌 손상에서 MRI로 포착한 뇌 이상을 시각화하고 식별하는 방법을 보여준다"고 설명했다. 저품질 MRI 영상의 고품질화 3T MRI와 7T MRI의 가장 큰 차이점은 자기장의 세기이다. 숫자가 높을수록 자기장이 강하다는 것을 의미하며, 이는 영상의 해상도와 선명도에 직접적인 영향을 미친다. 7T MRI는 3T MRI보다 두 배 이상 강력한 자기장을 사용하기 때문에 더욱 선명하고 상세한 이미지를 얻을 수 있다. 연구팀은 경도 외상성 뇌 손상(TBI) 환자의 3T MRI 영상 데이터를 사용하여 AI 모델을 학습시켰다. 이 모델은 3T MRI 영상을 기반으로 7T MRI와 유사한 고품질 영상을 생성하며, 뇌 병변의 경계를 더욱 선명하게 보여주어 진단 정확도를 높이는 데 기여할 수 있다. 참고로, 미국에서 대부분의 임상 MRI는 1.5T 또는 3T MRI 시스템으로 수행된다. 미국국립보건원(NIH)은 2022년 전 세계적으로 진단 영상에 사용되는 7T MRI는 약 100대에 불과하다고 밝혔다. 신경 퇴행성 진단 활용 기대 연구 결과, 합성된 7T MRI 영상은 실제 7T MRI와 비슷한 수준의 해상도를 보였으며, 뇌 병변의 경계를 더욱 명확하게 구분하고 미세 출혈을 더 잘 포착하는 것으로 나타났다. 특히, 백질 병변 내 다양한 특징을 더욱 세밀하게 보여주어 다발성 경화증과 같은 신경 퇴행성 질환 진단에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 이 기술은 뇌의 해부학적 구조를 세밀하게 관찰해야 하는 TBI 및 다발성 경화증 환자의 진단 및 치료에 도움을 줄 수 있을 것으로 예상된다. 하지만 연구팀은 "AI 기반 합성 기술이 임상 현장에 적용되기 위해서는 광범위한 검증이 필요하다"며 "향후 모델 결과에 대한 임상적 평가, 모델 생성 영상에 대한 임상 등급 평가, 모델의 불확실성 정량화 등 추가 연구가 필요하다"고 밝혔다. 이번 연구는 AI 기술이 저사양 영상 장비의 한계를 극복하고 의료 영상의 품질을 향상시키는 데 기여할 수 있음을 보여주는 사례로, 의료 분야에서 AI 기술의 활용 가능성을 더욱 확대할 것으로 기대된다.
- IT/바이오
2024-10-18 10:15:00
[신소재 신기술(121)] 중국 연구진, 맥박 측정 로봇 손가락 개발

로봇 손은 산업계에 다양한 용도로 쓰이지만, 로봇 손의 촉각은 인간의 그것에 비하면 다소 떨어진다. 그런데 중국의 연구진이 인간의 맥박을 측정할 수 있는 로봇 손을 설계해 주목된다고 더레지스터가 전했다. 중국 과학기술대학의 연구진은 센서를 사용하여 로봇이 압력의 정확한 변화를 감지하고, 인간 손가락에 필적하는 민첩성으로 움직일 수 있는 생체 영감 소프트 핑거(BSF)를 개발했다. 이는 셀(Cell)에 게재됐다. 발표된 논문에서 연구진은 로봇이 새롭게 적용된 감각을 사용해 사람의 맥박을 측정하고, 혹을 확인하거나, 환자가 의사를 상대할 때 당황하지 않도록 다른 인체 검사를 수행할 수 있을 것이라고 밝혔다. 연구진의 일원인 감지 기술 과학자인 왕홍보는 "이처럼 손재주가 있는 로봇 손가락은 미래의 병원에서 의사처럼 '로보닥터' 역할을 수행할 수 있다고 믿는다"라고 설명했다. 그는 "기계학습과 결합하면 자동 로봇 검사 및 진단이 가능하며, 특히 의료 전문가가 턱없이 부족한 외딴 미개발 지역에서 유용할 것으로 기대한다"고 부연했다. 129mm 길이의 손가락 로봇은 부드럽고 유연한 광중합(포토폴리머) 수지 프레임워크에 내장된 공기 제어 액추에이터를 사용하며, 두 개의 전도성 섬유 코일이 내장되어 있다. 첫 번째 코일은 손가락의 움직임을 제어하고 두 번째 코일은 손가락 끝부분에 설치돼 매우 민감한 고감도 압력 센서와 연결된다. 실험에서 로봇 손가락은 실리콘 시트에 내장된 인공 덩어리를 식별할 수 있었으며, 실험 대상자의 동맥을 찾아 심박수를 정확하게 판독해 인간의 맥박을 측정했다. 논문에서는 "BSF는 인간의 손가락과 마찬가지로 작동 및 굽힘 감지 모두 50ms의 실시간 응답시간으로 손가락 끝의 힘을 감지할 수 있었으며, 굽힘 각도에 대해서는 0.02, 힘에 대해서는 0.4mN의 높은 감지 해상도를 제공한다"라고 설명했다. 또한 "제안된 BSF의 굽힘 및 힘 감지는 자체 분리되어 있으며 반복성이 높다. 가장 중요한 점은 BSF의 감지 및 작동이 모두 안정되며, 실용적인 응용 분야에서 기계적으로 내구성이 있다는 것"이라고 덧붙였다. 로봇 손가락의 장점은 특히 인간 의사, 특히 이성 의사가 검진하는 것을 불편해하는 환자가 편하게 사용할 수 있다는 것이다. 또한 의사를 전혀 만나지 않고도 집에서 예방적 검진을 위해 사용할 수 있다. 연구진은 또 키 입력에 필요한 힘을 스스로 판단해 손가락이 올바르게 타이핑하는 능력도 보여주었다. 제어를 위해 기계학습을 사용함으로써 민감성과 유용성 면에서 인간과 맞먹는 로봇 손을 만들 수도 있다. 연구진은 "정확한 감지 데이터를 널리 활용하고 BSF 기반 생물에서 영감을 손에서 기계학습 기반 감지 데이터 제어를 적용함으로써 인간과 같은 '촉감, 느낌, 시도, 학습, 조작' 및 정교한 인간-로봇 상호 작용을 실현할 수 있다"고 밝혔다.
- IT/바이오
2024-10-15 13:46:00
[우주의 속삭임(69)] 화성, 왜 생명체가 살 수 없게 됐나?

현재 화성의 게일 분화구를 탐사하고 있는 나사(NASA)의 탐사선 큐리오시티가 초기 화성의 기후가 생명체가 살기에 적합했던 상황(표면에 광범위한 물이 있다는 증거)에서 어떻게 생명체가 살기에 부적합한 곳으로 바뀌었는지에 대한 새로운 세부 정보를 제공하고 있다고 나사가 홈페이지를 통해 밝혔다. 화성 표면은 매우 차갑고 오늘날 생명체가 살기에는 부적합하지만, 전문가들은 나사의 화성 탐사선은 먼 과거에 화성에 생명체가 살았을 수 있는지에 대한 단서를 찾고 있다. 그런 가운데 연구진이 큐리오시티에 탑재된 장비를 이용해 게일 분화구에서 발견된 탄소가 풍부한 광물(탄산염)의 동위원소 구성을 측정했고, 화성의 고대 기후가 어떻게 변화했는지에 대한 새로운 정보를 찾아냈다. 메릴랜드주에 소재한 나사 고다드 우주비행센터의 데이비드 버트 박사는 최근 미국 국립과학원회보에 발표된 연구 논문에서 "이 탄산염의 동위원소 값은 극심한 양의 증발이 있었음을 알려주며, 탄산염은 일시적인 액체 상태의 물만을 지탱할 수 있는 기후에서 형성되었을 가능성이 높다“라고 말했다. 그는 "채취한 탄산염 샘플은 화성 표면에서 생명체가 살았던 고대 환경(생물권)과 일치하지는 않지만, 탄산염이 형성되기 전 생물권이 있었을 가능성을 배제하지는 않는다"고 덧붙였다. 즉, 화성은 탄산염이 생성되기 전 물이 풍부했을 때에는 생물권이 있었을 가능성이 있지만, 갑작스러운 액체 상태 물의 대규모 증발로 인해 물이 마르고 그 과정에서 탄소가 풍부한 탄산염이 만들어졌을 가능성이 있다는 것이다. 동위원소는 원자 번호는 같지만, 질량이 다른 원자를 말한다. 물이 급속도로 증발함에 따라 가벼운 탄소와 산소는 대기 중으로 빠져나가고, 무거운 탄소 원자는 남아 더 많은 양이 축적되어 결국 탄산염 암석과 결합됐다. 과학자들이 탄산염에 관심을 갖는 이유는 기후에 대한 기록, 즉 증거로 작용할 수 있기 때문이다. 이러한 광물은 물의 온도와 산성도, 물과 대기의 구성을 포함, 광물이 형성된 당시 환경의 특징을 그대로 보존한다. 이 논문은 게일 분화구에서 발견된 탄산염에 대한 두 가지 형성 가능성을 제안하고 있다. 첫 번째는 탄산염이 게일 분화구 내에서 일련의 습윤-건조 순환을 통해 만들어졌다는 것이다. 두 번째는 탄산염이 게일 분화구에서 극저온 조건 아래 매우 염분이 많은 물에서 형성됐을 것이라는 가능성이다. 공동 연구자인 나사의 제니퍼 스턴 박사는 "이러한 형성 메커니즘은 서로 다른 생명체 거주 가능성 시나리오를 제시하는 두 가지 다른 기후 체제를 보인다"며 "첫 번째 시나리오인 습윤-건조 순환은 더 살기 좋은 환경과 덜 좋은 환경 사이의 교차를 나타낸다. 반면, 두 번째 시나리오에서 화성 중위도의 극저온 기온은 대부분의 물이 얼어 있고 염분이 많아 거주 가능성이 낮은 환경을 보인다"고 말했다. 첫 번째 시나리오에서 생명체의 거주 가능성이 높음을 시사한다. 고대 화성에 대한 이 같은 기후 시나리오는 특정 광물의 존재, 대규모의 모델링 및 암석층 형성의 식별을 기반으로 제안됐다. 이 결과는 시나리오를 뒷받침하는 암석 샘플의 동위원소 증거를 추가한 최초의 결과다. 화성 탄산염의 중금속 동위원소 값은 지구의 탄산염 광물보다 매우 높으며, 화성 광물에서 기록된 가장 무거운 탄소 및 산소 동위원소 값이다. 연구진에 따르면 습윤-건조 또는 차갑고 염분이 많은 두 가지 기후 시나리오는 모두 중금속 탄소와 산소가 풍부한 탄산염을 형성하는 데 필요하다. 이 발견은 큐리오시티 탐사선에 실린 화성 샘플분석(SAM) 및 레이저분광기(TLS) 장비를 사용해 이루어졌다. SAM은 샘플을 섭씨 900도까지 가열한 다음 TLS를 사용해 가열 단계에서 생성되는 가스를 분석한다. 한편, 이 작업에 대한 자금 지원은 나사의 화성 탐사 프로그램을 통해 지원됐다.
- IT/바이오
2024-10-10 14:08:00

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