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2024-11-28 (목)

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[먹을까? 말까?(60)] 디핑 소스 곁들인 칩, 칼로리 섭취량 77% 증가시켜

인기 간식인 짭짤한 스낵에 디핑 소스를 곁들이면 우리 몸에 어떤 변화가 일어날까. 미국 펜실베니아 주립대학교 농업과학대학 감각평가센터의 연구 결과, 짭짤한 과자에 디핑 소스를 곁들여 먹으면 칼로리 섭취량이 크게 증가하는 것으로 나타났다고 사이테크데일리가 10일(현지시간) 보도했다. 과자는 많은 사람들의 일일 칼로리 섭취량의 약 25%를 차지하는 중요한 식품이다. 미국 국립보건원(NIH)에 따르면 미국 성인의 약 3분의 1이 과체중이고 40% 이상이 만인 상황에서 건강한 간식 섭취 방법에 대한 연구가 필요하다. 연구팀은 최근 연구를 통해 짭짤한 과자에 디핑 소스를 함께 제공했을 때 섭취 행동 변화를 조사했다. 연구 결과는 디핑 소스를 곁들일 경우 과자만 먹을 때보다 칼로리 섭취량이 77% 증가하고, 전체 섭취 속도도 빨라지는 것으로 나타났다. 흥미로운 점은 디핑 소스가 제공되더라도 과자 섭취량 자체는 변하지 않았다는 것이다. 연구 책임자인 존 헤이즈 교수는 "사람들은 딥(dip)이 있을 때 과자를 덜 먹는 것이 아니라, 같은 양의 과자에 디핑소스를 추가로 섭취한다"며 "이는 디핑소스를 추가하면 전체 에너지 섭취량이 크게 증가할 수 있음을 의미한다"고 설명했다. 이번 연구는 46명의 성인 참가자를 대상으로 진행됐다. 참가자들은 두 번의 방문 기간 동안 랜치 맛 칩 70g(약 2.5인분)을 랜치 디핑소스 약 3분의 1컵, 또는 칩을 단독으로 제공 받았다. 연구팀은 섭취량을 측정했고, 한 입 먹은 횟수 등 모든 섭취 과정은 비디오로 녹화해 분석했다. 연구 결과 참가자들은 평균적으로 칩만 먹었을 때 195칼로리를 섭취한 반면, 디핑소스와 함께 먹었을 때는 345칼로리를 섭취했다. 디핑소스를 추가하면 한 입 크기가 더 커지면서 전체 섭취량이 증가한 것으로 분석됐다. 이번 연구는 디핑소스와 같은 외부 윤활제가 짭짤한 과자 섭취에 미치는영향에 대한 연구가 부족한 상황에서 새로운 시각을 제시했다. 헤이즈 교수는 "과식과 비만 문제를 해결하기 위해서는 간식 섭취 행동을 이해하는 것이 중요하다"며 "이번 연구는 음식의 물리적 특성이 섭취 행동과 에너지 섭취에 미치는 영향을 탐구하는 새로운 길을 열었다"고 강조했다. 해당 연구 결과는 현재 온라인에서 볼 수 있으며, 11월호 '식품 품질 및 선호도(Food Quality and Preference)'에 게재될 예정이다.
- 생활경제
2024-09-11
[우주의 속삭임(53)] 달, 비교적 최근까지 화살 활동 있었다

달 표면에서 가져온 세 개의 작은 유리 구슬은 달의 화산 활동이 그리 오래전이 아니라는 것을 보여준다는 연구 결과가 나왔다. 중국 국가우주국(CNSA)이 창어 5호 임무에서 가져온 달 샘플에 대한 새로운 분석에 따르면, 발견된 유리 구슬은 불과 1억 2000만 년 전에 발생한 달 화산 활동의 증거로 추정된다. 이는 약 44억~20억 년 전 사이에 활발했던 것으로 알려진 달의 화산 활동이 예상보다 많이 늦게까지(최근까지) 있었음을 말해 준다. 중국과학원 지질 및 지구물리학 연구소의 위양 허 박사는 "창어 5호가 가져온 화산 유리 구슬 3개에 대한 방사성 동위원소 연대 측정 결과, 달에서 약 1억 2000만 년 전에 화산 활동이 있었다는 사실이 드러났다"고 말했다. 그는 "창어 5호 착륙 지점에서 기록된 화산 분출은 약 19억 년의 간격이 있음을 말해 준다. 달의 이런 최근 화산 활동은 달과 같은 작은 천체가 매우 늦은 단계까지 내부 활력을 유지할 수 있는 충분한 열을 유지할 수 있음을 의미한다"고 설명했다. 지난 2020년 말 창어 5호가 지구로 전달한 달 샘플은 소련의 마지막 달 탐사선이 1976년 돌아온 이후 인류가 입수한 첫 달 물질이었다. 전 세계 학자들은 다양한 분석 기술을 사용해 샘플을 연구, 달 지질학과 역사에 대한 새로운 정보와 지식을 얻었다. 샘플이 특히 흥미로웠던 것은 이것이 아주 작은 유리 구슬로 구성되어 있다는 점이었다. 이는 녹아 있던 광물이 강력한 조건에서 다시 유리로 굳어질 때 형성된다. 중국과학원 연구팀은 창어 5호 샘플에서 약 3g의 달 먼지를 걸러냈고, 티스푼 정도의 작은 샘플에서 약 3000개의 유리 구슬을 분리했다. 이 중 대부분은 운석 충돌의 결과였으며, 화산 활동에 의한 입자는 찾아내기 어려웠다. 달은 충격에 취약하고 화산 활동은 거의 없었기 때문이었다. 연구팀은 먼저 후방 산란 전자 이미지를 사용해 운석 충돌의 특징이 없는 약 800개의 유리 구슬을 분리했다. 그 후 전자 프로브 마이크로 분석기를 사용해 분리한 구슬을 분석, 그중 13개의 유리 구슬이 아폴로 화산 유리 구슬과 유사한 원소 구성을 가지고 있음을 밝혔다. 13개 유리 구슬 중 6개는 아폴로 샘플에서 확인된 화산 유리와 동일한 성분인 산화마그네슘-니켈 풍부도 상관관계를 갖고 있었다. 마지막 단계로 연구팀은 2차 이온 질량 분석법을 사용해 유황 동위 원소 분석을 수행했다. 마지막 6개 구슬 중 3개는 화산 활동에 의해 형성된 유리였다. 방사성 연대 측정을 통해 구슬의 연대가 밝혀졌다. 약 1억 2300만 년 전이었으며, 여기에는 1500만 년 내외의 오차가 있을 수 있다. 이는 달이 화산 활동을 한 마지막이라고 알려진 시간보다 훨씬 최근이다. 달은 화산 활동이 일어나기에는 오랫동안 차가웠기 때문에 어떻게 이런 일이 일어났는지 알 수 없지만, 세 개의 구슬에 담긴 화학 물질에서 단서를 찾을 수 있었다. 여기에는 칼륨, 희토류 원소, 인과 같은 원소가 높은 비율로 포함되어 있었다. 이들 원소의 높은 풍부도는 방사성 열의 원천이 될 수 있다. 즉, 방사성 분열로 생성되는 상당한 열이다. 지구 내부 열의 약 절반은 방사성 분열에서 나온다. 달에서는 이론적으로 방사성 열이 국부적인 화산 활동을 일으킬 수 있다. 연구팀은 "20억 년에서 1억 2000만 년 전 사이에 다른 화산 활동이 있었을지에 대한 추가 조사가 필요하다“고 말했다. 한편, 이 연구 결과는 사이언스지에 게재됐다.
- IT/바이오
2024-09-09
[신소재 신기술(106)] 스탠퍼드대, 식용 색소로 투명 쥐 만드는 기술 개발 성공

미국 과학자들이 식용 색소를 이용해 생쥐 피부를 투명하게 만드는 실험에 성공했다. 스탠퍼드대 재료과학 및 공학 궈쑹 홍(Guosong Hong) 교수 팀은 9월 5일 과학 저널 '사이언스(Science)'에서 '타르트라진(Tartrazine)' 또는 '황색 5호(FD&C Yellow #5)'로 알려진 노란색 식용 색소를 통해 생쥐의 복부 피부와 두개골 등 생물학적 조직을 일시적으로 투명하게 만드는 데 성공했다고 밝혔다. 투명망토는 공상 과학과 판타지 영화의 소재로 곧잘 등장하지만, 식용 염료를 활용해 쥐의 피부를 투명하게 만들어 낸 것은 이번이 처음이다. 여기서 '투명'이라는 개념은 좀 다르다. 일반적으로 투명망토는 인체의 내부까지 투명해져서 육안으로 사람이 안 보이는 것을 의미한다. 하지만 연구팀이 개발한 식용 염료를 바르면 피부만 투명해지고 그안의 혈관과 근육, 뼈 등 내부 구조가 고스란히 드러나 관찰하기에 적합해진다. 연구팀은 특정 탄산음료와 과자에 독특한 주황색을 부여하는 식용 색소인 황색 5호를 사용해 쥐의 피부를 완전히 투명하게 하는 것을 입증했다. 이는 가역적이고 잠재적으로 무독성인 연구 방법으로, 의학과 과학 영상 분야에 혁신을 가져올 수 있다. 해당 연구 내용에 대해서는 영국 일간지 가디언과 과학 전문매체 퍼퓰러사이언스 등 다수 외신이 전했다. 지금까지 연구팀은 이 새로운 발견을 통해 쥐의 복부 내 장기를 관찰하고, 설치류 두개골 주변의 맥동하는 혈류를 살펴보고, 현미경을 통해 근육 조직을 매우 선명하게 볼 수 있었다. 추가적인 연구를 통해 이 방법은 새로운 과학적 발견을 촉진하고, 현미경 기술을 발전시키며, 의료 진단 전략과 치료법을 개선하는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 원리는 간단, 색소 바르면 피부 투명해져 쥐의 피부를 투명하게 하는 방법은 간단하다. 황색 5호 용액을 쥐의 피부에 몇 분 동안 마사지하거나 미세 바늘을 사용하면 투명('가시광선의 적색 영역에서 완전한 광학적 투명성')한 피부가 된다. 색소를 씻어내면 피부는 자연스럽고 불투명한 상태로 되돌아간다. 스탠포드 대학교의 공동수석연구 저자이자 생물공학자인 궈쑹 홍 박사는 "피부와 같은 생물학적 조직은 빛이 통과할 때 산란되기 때문에 일반적으로 투명하지 않다"며 "동물의 살은 주로 물과 지방 등 다양한 물질로 이루어진 매트릭스이며, 이 두 종류의 화합물은 서로 다른 각도로 빛을 굴절시킨다고 설명했다. 빛은 한 물질에서 다른 물질로 이동할 때 속도가 변하며 휘어지는 굴절과 흩어지는 산란 현상을 일으킨다. 우리가 물체의 속을 볼 수 없는 것은 바로 산란현상 때문이다. 연구팀은 다양한 색소가 조직 내 빛의 이동 방식을 어떻게 변화시키는 지 모델링하여 일시적으로 피부를 투명하게 하는 이 방법을 개발했다. 팀은 황색 5호와 다른 몇 가지 색소를 투명성 향상 후보로 선정한 후, 실리카 입자와 혼합된 액체, 살아있는 닭의 가슴살, 살아 있는 생쥐와 기타 쥐의 조직 샘플 등을 테스트해 색소가 얼마나 빠르고 깊게 퍼지는 지 측정했다. 또한 이 색소를 다른 광학 현미경 기술과 결합해 황색 5호가 기존 기술을 향상시키는데 사용될 수 있음을 보여줬다. 마지막으로 연구팀은 설치류 실험 대상에서 단기 및 장기적인 영향을 조사하고 쥐가 소변과 대변을 통해 이들 색소를 얼마나 빨리 배출하는 지 추적해 초기 독성 분석을 수행했다. 연구팀은 황색 5호가 24시간 내에 몸을 통과하고 염증이나 자극을 거의 일으키지 않으며 "최소한의 전신 독성"을 나타낸다고 밝혔다. 인체 적용 시기 상조 그러나 이 방법은 아직 완전하지 않다. 예를 들어 살아 있는 생쥐 몸통 전체를 투명하게 만들거나 인간 복부의 내부를 즉시 볼 수 있게 해주지는 못한다. 황색 5호는 조직에 제한적으로 침투할 수 있기 때문에, 표적 전달력과 최적 농도에 대한 정확한 이해 없이는 인간의 살과 같은 덜 투과적인 피부를 통해 내부의 이미지를 얻는 데 유용하지 않을 수 있다. 또한 색소가 광자 산란을 줄이지만 완전히 제거하지는 못한다. 사용되는 조직이 두꺼울수록 이미지는 더 어둡고 선명도가 떨어진다. 게다가 초기 독성 평가는 긍정적이지만, 황색 5호 색소가 장기적으로도 무해하다고 확신할 수 없다. 이는 추가 연구를 통해 풀어야할 과제다. 이에 홍 교수는 추가적인 안정성 연구가 필요하다고 강조하며 "인체 피부에 이를 시도하는 것은 권장하지 않는다. 특히 국소적으로 적용될 때 색소 분자의 인체 독성은 완전히 평가되지 않았다"고 강조했다. 향후 추가 연구를 통해 황색 5호가 인체에 국소적으로 안전하게 사용될 수 있다면 피부암 조기 발견, 혈관을 찾기 어려운 사람들의 혈액 채취 용이성, 레이저 문신 제거 속도 향상, 광열 암 치료 효과 증대 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 전망된다.
- IT/바이오
2024-09-06
[신소재 신기술(105)] 세계 최고 슈퍼컴퓨터, 칼슘-48 자기적 특성 규명…10년 논쟁 종결

세계에서 가장 강력한 슈퍼 컴퓨터인 '프론티어'가 10년 동안 과학자들의 논쟁의 중심에 섰던 칼슘-48 퍼즐을 해독했다. 미국 오크리지 국립연구소(ORNL)의 핵물리학 연구팀은 세계 최고 슈퍼컴퓨터 프론티어를 활용해 칼슘-48 원자핵의 자기적 특성을 규명하는 데 성공했다고 과학전문 매체 인터레스팅엔지니어링이 4일(현지시간) 보도했다. 이는 1980년대부터 지속되어온 핵물리학계의 논쟁을 종식시키는 중요한 성과로 평가된다. 칼슘-48, '이중 마법' 핵으로 안정성 높아 칼슘-48은 20개의 양성자와 28개의 중성자로 이루어진 '이중 마법' 핵으로 매우 안정적인 구조를 가지고 있다. 이러한 특성 대문에 핵물리학 연구에 이상적인 물질로 꼽힌다. 하지만 칼슘-48의 자기적 특성은 오랜 기간 동안 논쟁의 대상이었다. 양성자와 전자빔을 사용한 초기 실험에서는 자기 전이 강도가 4제곱 마그네톤으로 측정되었으나 2022년 감마선을 이용한 실험에서는 이 값이 두 배나 높게 나타났기 때문이다. 여기서 '핵 마그네톤'은 원자핵의 자기적 특성을 나타내는 기본 단위다. 쉽게 말해, 핵 마그네톤은 원자핵이 얼마나 강한 자석처럼 행동하는 지를 나타내는 척도라고 할 수 있다. 따라서 4제곱 마그네톤은 칼슘-48 원자핵이 특정 에너지 상태 변화를 겪을 때, 자기장의 세기가 핵 마그네톤 단위로 4의 제곱만큼 변한다는 것을 의미한다. 수퍼컴퓨터 '프론티어' 활용, 10년 논쟁 종식 ORNL 연구팀은 초당 퀸틸리언(quintillion, 100경) 이상의 계산을 수행할 수 있는 세계 최초의 엑사스케일 컴퓨터인 '프론티어' 슈퍼컴퓨터를 활용해 칼슘-48의 자기 전이 강도를 시뮬레이션했다. 그 결과 감마선 실험 결과와 일치하는 값을 얻어냄으로써 오랜 논쟁에 종지부를 찍었다. 또한 이 연구는 핵 내부의 핵자 쌍(양성자와 중성자)의 복잡한 상호작용과 핵이 주변 환경과 상호작용하는 방식을 설명하는 연속 효과에 대한 새로운 통찰력을 제공했다. 초신성 연구에도 영향 이번 연구는 핵물리학뿐만 아니라 천체물리학에도 중요한 의미를 갖는다. 칼슘-48은 초신성 폭발 과정에 풍부하게 생성되는 데, 이 때 중성미자가 물질과 상호작용하는 방식을 이해하는 데 핵심적인 역할을 하기 때문이다. 연구의 제 1저자인 비자야 아차리아는 "칼슘-48의 자기 전이 강도를 설명하는 물리학은 중성미자가 물질과 상호작용하는 방식도 설명한다"고 말했다. 칼슘-48의 자기 전이 강도에 대한 정확한 이해는 초신성 폭발과정과 우주 형성 과정에 대한 이해를 높이는 데 기여할 것으로 기대된다. ORNL 핵천체물리학자 라파엘 힉스는 "이번 연구는 핵의 생성 원리를 밝히는 데 중요한 걸음이며, 별과 행성의 생성부터 원소의 풍바함까지 우주를 형성하는 과정을 더 잘 이해하게 해 줄것"이라고 말했다.
- IT/바이오
2024-09-05
[기후의 역습(51)] NASA, 남극 해저 탐사 로봇 개발⋯해수면 상승 예측 정확도 높인다

과학자들이 로봇으로 기후 변화로 예상보다 빨리 녹는 남극 빙붕 탐사에 나선다. 미국 항공우주국(나사·NASA) 산하 제트추진연구소(JPL)는 남극 빙붕 아래 심해를 탐사할 수 있는 자율주행 로봇을 개발 중이다. 이 로봇은 인간이 접근하기 어려운 극한 환경에서 빙하 해빙 속도와 해수면 상승 영향 등을 파악하는 데 활용될 예정이다. 나사는 홈페이지를 통해 '아이스노드(IceNode)' 프로젝트를 통해 인간이 접근하기 어려운 험지인 빙붕의 녹는 속도를 측정하기 위해 자율주행 로봇 함대 구축을 구상하고 있다고 밝혔다. 남극 대륙이 완전히 녹으면 전 세계 해수면이 약 60m(약 200피트) 상승할 것으로 추정된다. 남극 빙상의 녹는 속도는 해수면 상승 예측에서 가장 큰 불확실성 중 하나다. 기온이 따뜻해지면 표면이 녹는 것처럼 얼음도 아래에서 순환하는 따뜻한 바닷물과 접촉하면 녹는다. 바닷물 속의 빙하가 녹는 속도는 그동안 과학자들이 직접 관측하지 못해서 간과해왔던 부분이다. 나사는 "해수면 상승을 예측하는 컴퓨터 모델을 개선하기 위해서 과학자들은 특히 육지에서 뻗어나온 수마일 길이의 떠다니는 얼음판인 빙붕 아래에서 녹는 더 정확한 속도가 필요하다"면서 "빙붕(ice shleves)은 해수면 상승에 직접적으로 기여하지는 않지만 빙상(ice sheets)이 바다로 흘러들어가는 속도를 크게 낮춘다"고 설명했다. '아이스노드' 프로젝트, 알래스카 첫 실험 성공 아이스노드의 엔지니어들은 우주 탐사용 로봇 설계에 대한 전문성을 활용해 길이 약 2.4m(약 8피트), 지름 25cm(10인치)의 자율로봇 차량을 개발하고 있다. 이 차량은 한쪽 끝에서 튀어나와 로봇을 얼음 아랫면에 부착하는 3개 다리의 랜딩 기어가 있다. 로봇에는 어떠한 형태의 추진력이 없으며, 대신 해류 모델의 정보를 사용하는 새로운 소프트웨어의 도움으로 자율적으로 위치를 잡을 수 있다. JPL 연구팀은 지난 3월 알래스카 북부 보퍼트 해에서 원통형 로봇을 수심 30m까지 내려 더이터를 수집하는 데 성공했다. 당시 보퍼트 기온은 섭씨 영하 45도(화씨 영하 50도)로 인간과 로봇 모두에게 도전이었다. 이는 '아이스노드' 프로젝트의 첫 번째 단계로, 궁극적으로는 남극 빙붕에 로봇들을 부착해 장기간 데이터를 수집하는 게 목표다. 로봇의 센서는 따뜻하고 짠 바닷물이 얼마나 빨리 순환해 얼음을 녹이는 지, 그리고 더 차갑고 신선한 녹을 물이 얼마나 빨리 가라앉는지 측정할 것이다. 남극 빙붕 해빙, 해수면 상승 가속 우려 최근 연구들은 남극 빙하가 예상보다 빠르게 녹고 있음을 시사하며, 해수면 상승 예측이 과소 평가됐음을 제기했다. 남극 빙상 전체가 녹을 경우 해수면은 약 60m 상승해 해안 도시들을 위협할 수 있다. 과학자들은 특히 빙하 유출을 막는 '코르크' 역할을 하는 빙붕의 해빙 메커니즘을 이해하는 데 주력하고 있다. 아이스노드 로봇 함대는 최대 1년 동안 운영되며, 계절적 변동을 포함한 데이터를 지속적으로 수집한다. 그런 다음 로봇은 얼음에서 분리되어 위성을 통해 데이터를 전송한다. JPL 로봇 공학자이자 아이스노드의 수석 연구원인 폴 글릭은 "이 로봇은 지구상에서 가장 접근하기 어려운 곳에 과학 장비를 가져다주는 플랫폼"이라며 "어려운 문제에 대한 안전하고 비교적 저렴한 솔루션이 되도록 고안됐다"고 설명했다. 이번 로봇 개발은 접근 불가능한 지역의 데이터 수집을 가능하게 해 해수면 상승 예측 정확도를 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.
- IT/바이오
2024-09-04
초고층 빌딩 창문 청소 로봇, 뉴욕에 세계 최초 배치

뉴욕의 45층짜리 초고층 오피스 타워가 세계 최초로 스카이라인 로보틱스(Skyline Robotics)의 오즈모(Ozmo) 자동 창문 청소 로봇을 배치했다고 뉴아틀라스가 전했다. 지붕에 매달린 플랫폼에 로봇이 달려 있어 사람이 하는 창문 청소보다 3배 빠르게 유리창을 닦는다고 한다. 오즈모 청소 로봇은 빌딩 옥상에 매달려 있는 청소 플랫폼에 쿠카(Kuka) 로봇 팔 한 쌍을 장착하고 각각의 팔에 브러시 헤드(청소용 솔)와 물 뿌리개를 장착한 것이다. 특히 이 청소 로봇에는 창문 유리창의 취약성을 판단하고 효율적인 세척을 위해 물을 뿌릴 때 적절한 압력을 가할 수 있도록 내압력을 측정하는 센서가 달려 있다. 회사는 창문 청소 로봇이 위치 설정과 이동을 위해 라이다(LiDAR) 센서를 사용하며, 인공지능(AI) 알고리즘은 돌풍이 부는 등 악조건에서도 안정성을 보장한다고 밝혔다. 라이다 센서는 자율주행 차량에 일반적으로 사용되는 것으로, 레이저를 발사해 사물에 반사되어 돌아오는 시간을 측정, 사물까지의 거리를 계산한 후 주변 모습을 3차원으로 매핑하는 기술로, 이는 청소 로봇에 다양한 최신 기술이 접목되어 있음을 시사한다. 현재 오즈모 팀은 건물 옥상에 있는 시스템 운영자를 통해 로봇이 제어되므로 인간 근로자의 역할이 여전히 존재하지만, 미래에는 로봇에 의한 완전한 자율주행 청소가 이루어질 것이라고 밝혔다. 또 이는 창문 청소 인력 부족을 해소하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 인간을 작업의 위험에서 보호할 것이라고 부연했다. 스카이라인은 지난 몇 년 동안 이 시스템을 개발하고 테스트해 왔다. 이번에 실제 배치한 오피스 타워는 더스트(Durst Organization)가 소유하고 관리하는 빌딩으로, 자동 창문 청소 로봇 글로벌 출시의 첫출발이다. 두 번째 청소 로봇은 영국 런던에 등장할 것으로 보인다. 스카이라인은 영국에서의 로봇 공급을 위해 프린시플클리닝서비스(Principle Cleaning Services)와 협력키로 했다. 일본과 싱가포르에서도 특허를 확보, 아시아 지역의 진출을 노리고 있다. 스카이라인의 마이클 브라운 CEO는 "스카이라인은 파트너인 팔라디움 윈도우 솔루션(Palladium Window Solutions) 및 더스트와 함께 첨단 기술로 수세기 동안 이어져 온 맨해튼의 풍경을 바꾸고 있다"라며 "오즈모는 기존 빌딩 창문 청소 솔루션보다 더 빠르고 안전하게 건물과 인간을 보호하면서 외벽 유지 관리의 미래를 제공하고 있다"고 강조했다.
- IT/바이오
2024-09-04
[기후의 역습(50)] 작년 캐나다 산불, 인도 1년치 탄소 배출량과 맞먹어 '충격'

작년에 캐나다를 강타한 기록적인 산불은 지구상의 거의 모든 나라에서 배출한 탄소보다 더 많은 탄소를 대기 중에 방출했다고 영국 독립 미디어 인디펜던트가 전했다. 캐나다의 단일 산불이 지구 온난화의 가장 큰 원인을 제공했다는 분석이다. 나사(NASA)의 제트 추진 연구소가 지난주 말 발표한 분석에 따르면, 미국 노스다코타와 거의 같은 면적의 산림을 태운 캐나다 산불은 약 6억 4000만 톤의 이산화탄소를 방출한 것으로 추정됐다. 이 분석 결과는 '네이처' 저널에 발표됐다. 연구에 따르면 캐나다 산불로 배출된 탄소보다 많은 양을 배출한 나라는 중국, 미국, 인도뿐이었다. 3개국의 화석 연료 연소가 다른 국가를 압도하고 있는데, 캐나다 산불이 이에 버금갔다는 얘기다. 전 세계적인 탄소 배출로 인해 지구의 대기 중 온실가스 농도는 2023년에 인류 역사상 가장 높은 수준에 도달했다. 캐나다 산불은 2023년 5월에 발생해 기록적으로 높은 기온과 건조한 기상 조건으로 수개월 동안 꺼지지 않고 퍼지면서 캐나다 인근 전역에 걸쳐 맹위를 떨쳤다. 역대 최대 규모의 산불로 기록되기도 했다. 산불은 캐나다 브리티시 컬럼비아에서 노바스코샤까지 4500만 에이커 이상을 태웠다. 연기는 캐나다 전역으로 퍼져 국경 남쪽까지 도달했으며, 뉴욕을 비롯한 미국 대도시의 하늘을 노랑 또는 주황색으로 물들였다. 지역 주민들은 불길한 대기를 온몸으로 겪어야 했다. 캐나다에서 소방관 8명이 사망하고 수만 명이 대피했다. 나사는 연구에서 위성 관측과 슈퍼컴퓨터를 사용해 화재의 영향을 파악했다. 특히, 2017년부터 지구를 공전하고 있는 유럽우주국(ESA)의 센티넬 5P 위성에 부착된 대류권 관측 장비(TROPOspheric Monitoring Instrument)를 이용해 대기 중의 가스와 미세 입자를 측정하고 매핑할 수 있었다. 한편 기후 위기로 인해 급등하는 기온과 극심한 가뭄으로 인해 발생하는 산불의 빈도와 심각성은 날로 증가할 것으로 예상된다. 캐나다를 포함한 세계 북부 산림에 대한 위협은 심각하다는 지적이다. 산림은 일반적으로 주요 탄소 흡수원 역할을 하며, 일부에서는 특히 배출하는 탄소보다 더 많은 양을 대기 중에서 흡수한다. 그러나 미국 해양대기청(NOAA)은 극심해지는 산불로 탄소 흡수원으로서의 산림의 효과는 갈수록 약해지고 있다고 우려했다.
- 포커스온
2024-09-03
[우주의 속삭임(48)] NASA, 지구 '양극성 전기장' 세계 최초 발견

미국 항공우주국(나사·NASA)이 최근 인듀어런스(Endurance) 임무를 통해 지구의 양극성 전기장을 밝혀냈다. 이는 지구의 대기 역학을 이해하고 다른 생명체가 살 수 있는 행성을 탐사하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 나사는 홈페이지를 통해 국제 연구팀이 NASA의 준궤도 로켓 관측을 통해 지구의 중력 및 자기장과 함께 근본적인 역할을 하는 것으로 추정되는 '양극성 전기장'을 세계 최초로 측정하는 데 성공했다고 밝혔다. 과학전문매체 사이테크데일리, 라이브사이언스 등은 지구 양극성 전기장에 대해 중점적으로 다루었다. 60여 년 전 처음 감지된 뒤 가설로 제시된 이 전기장은 지구 극지방에서 끊임없이 우주로 방출되는 하전 입자의 흐름인 '극풍(Polar Wind)'의 주요 원동력이다. '양극성 전기장'은 지구의 상층 대기, 즉 극지방에서 발생하는 약한 전기장이다. 이 전기장은 대기 중의 이온과 전자의 움직임에 영향을 주어 극풍이라는 현상을 일으킨다. 극풍은 대기 중의 하전 입자들이 지구의 자기력선을 따라 우주 공간으로 빠져나가는 현상이다. 이 전기장은 양방향 즉 '양극성'인데, 이는 두 방향으로 모두 작동하기 때문이다. 이온은 중력에 의해 가라앉을 때 전자를 아래로 당긴다. 동시에 전자는 이온이 우주로 탈출하려고 할때 이온을 더 높은 높이로 들어올린다. 나사는 "양극성 장은 상층 대기의 대전된 입자를 원래 도달할 수 있는 높이보다 더 높은 곳까지 끌어 올리며 아직 탐구되지 않는 방식으로 우리 지구의 진화에 영향을 미쳤을 수 있다"고 설명했다. 양극성 전기장은 지구의 중력 및 자기장처럼 지구의 근본적인 특성 중 하나로 여겨지지만 그 존재를 직접 측정하기는 매우 어려웠다. 나사는 최근 인듀어런스 임무를 통해 처음으로 양극성 자기장의 존재를 확인하고 그 강도를 측정하는 데 성공했다. 이를 통해 과학자들은 지구 대기의 탈출 과정과 이온층의 형성 과정을 더 잘 이해할 수 있게 됐다. 앞서 과학자들은 이 전기장이 고도 약 250km(약 150마일)에서 대기 중의 원자가 음전하(-)를 띤 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리되기 시작한다는 가설을 세웠다. 전자는 엄청나게 가벼워서 에너지를 조금만 가해도 우주로 날아갈 수 있다. 반면, 이온은 전자보다 최소 1836배 무겁고 땅을 향해 가라앉는 경향이 있다. 중력만 작용한다면 한 번 분리된 두 개체군은 시간이 지남에 따라 서로 멀어질 것이다. 하지만 전자와 이온은 서로 반대 전하를 띠고 있기 때문에 전기장에 형성되어 전하가 분리되는 것을 방지하고 중력의 영향을 일부 상쇄한다. 이 전기장은 상층 대기의 하전 입자들을 더 높은 고도로 끌어 올려 지구의 진화 과정에 아직 밝혀지지 않은 영향을 미쳤을 가능성이 있다. 아원자 규모에서 생성되는 가설의 전기장은 매우 약해서 수백마일 이상에서만 그 효과가 느껴질 것으로 예상됐다. 수십년 동안 이 전기장을 감지하는 것은 기존 기술의 한계를 넘어서는 일이었다. 글린 콜린슨과 그의 팀은 2016년 지구의 양극장을 측정할 수 있는 새로운 기기를 발명하기 시작했다. 나사의 인듀어런스는 2022년 5월 11일 발사돼 약 768km(약 477.23마일) 고도에 도달한 뒤 19분 후 그린란드해에 낙하했다. 인듀어런스는 양극성 자기장 데이터를 수집한 약 518km(322마일) 고도 범위에서 0.55볼트에 불과한 전위 변화를 측정했다. 멜린랜드 주에 있는 나사 고다드 우주빙행센터의 인두어런스 수석연구원이자 이 논문의 주저자인 글린 콜린슨은 "0.55볼트는 거의 아무 것도 아니며 시계 배터리 정도에 불과하다"면서 "하지만 이 정도면 극지방의 바람을 설명하기에 적당한 양이다"라고 설명했다. 극풍에서 가장 풍부한 입자인 수소 이온은 이 전기장에서 중력보다 10.6배 강한 외력을 경험한다. 나사 고다드의 지구력 프로젝트 과학자이자 논문의 공동 저자인 알렉스 글로서는 "이는 중력에 대항하기에 충분하며, 실제로 초음속으로 우주로 발사하기에 충분하다"고 말했다. 콜린슨은 "이것은 마치 대기를 우주로 들어올리는 컨베이어 벨트와 같다"고 덧붙였다. 연구팀은 이번 발견을 통해 지구 대기의 복잡한 움직임과 진화 과정을 이해하고, 지구 역사뿐 아니라 다른 행성의 비밀을 밝히고 생명체 존재 가능성을 판단하는 중요한 단서를 얻을 수 있을 것으로 전망했다. 이번 연구 결과는 2024년 8월 28일 학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다.
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2024-09-02
[신소재 신기술(103)] AI 분석 통해 '자폐증 코드 해독' 획기적인 진전

인공지능(AI) 분석을 통해 자폐증을 진단하는 방법이 개발돼 주목된다. 이 방법을 통해 자폐증 환자 가족들은 장기간의 불확실성을 겪지 않고 조기 치료가 가능해질 것이라고 영국 데일리메일이 전했다. 새로운 AI 분석은 뇌의 생물학적 활동을 통해 자폐증의 유전적 마커를 89~95%의 정확도로 식별할 수 있다고 한다. 새로운 자폐증 진단 방법은 자기공명영상(MRI)을 통한 표준 뇌 매핑으로 시작, AI 도구를 통해 스캔을 다시 분석함으로써 자폐증을 나타낼 수 있는 뇌 내 단백질, 영양소 및 기타 과정의 움직임을 감지한다. 자폐증은 전통적으로 언어 구사 등 사람의 일상 행동 과정을 진행한 의료진에 의해 진단된다. 그리고 자폐증은 강력한 유전적 기반을 가지고 있다. 미국 질병통제예방센터(CDC)에 따르면 현재 자폐증은 36명의 아동 중 1명 꼴로 나타나고 있다. 이는 미국에서만 매년 9만 명 이상의 아동이 자폐증을 앓고 있음을 의미한다. 그러나 자폐증은 발견하기 어렵기로 악명이 높으며, 자폐증을 앓고 있는 대다수의 어린이는 5세가 될 때까지 진단을 받지 못하고 명확한 행동 징후를 보인다. 설상가상으로 식별 과정에는 일반적으로 수년간의 불확실성, 수십 번의 병원 방문, 언어 검사, 관찰 인터뷰 등을 포함한 다양한 검사가 수반되어 어린이와 가족에게 스트레스가 될 수 있다. 연구진은 이 새로운 진단 기법을 통해 의사들이 자폐증을 유발하는 보다 구체적인 유전자를 찾아낼 수 있을 것으로 기대하고 있다. 자폐증이 뇌의 성장과 작동 방식을 변화시키는 실제 생물학적 경로를 밝혀내는 것이다. 연구진은 이 방법이 "자폐증 코드를 해독한다"고 밝혔다. 그러나 이 방법이 언제쯤 상업적으로 사용될지에 대해서는 언급하지 않았다. 세인트루이스의 워싱턴 대학 방사선과 신지니 쿤두 박사는 대학원생 연구원 시절, 이 새로운 기계 학습 AI 도구와 수학적 뇌 모델링 기술을 개발했다. 뇌에서 생물학적 물질이 수송되는 방식을 따서 '수송 기반 형태 측정법'이라고 명명된 이 기술은 유전 코드의 핵심 부분과 연결된 패턴을 식별하는 데 중점을 두고 있다. '복제 수 변이(CNV)'라고 불리는 유전자 코드의 염기서열은 삭제되거나 복제된 DNA 세그먼트를 보여준다. 이러한 변화는 과거 연구에서 자폐증과 관련이 있는 것으로 나타났다. 그러나 뇌 형태와의 연관성, 즉 회백질이나 백질과 같은 다양한 유형의 뇌 조직이 뇌에서 어떻게 배열되는지는 잘 알려져 있지 않다. CNV가 뇌 조직 형태와 어떻게 관련이 있는지 알아내는 것은 자폐증의 생물학적 기초를 이해하는 데 중요한 첫 단계가 된다. 쿤두 교수와 UC 샌프란시스코 연구진은 이 같은 연구 결과를 '사이언스 어드밴시스' 저널에 발표했다. 연구에는 자폐증과 관련된 유전적 변이가 알려진 피험자 집단인 비영리 시몬스 그룹의 참여자들이 핵심 데이터를 제공했다. 연구진은 결과를 흐리게 할 수 있는 변수를 줄이기 위해 시몬스 그룹과의 유사성(예: 동일 연령, 성별, 비언어적 IQ)을 기반으로 다른 의료 또는 임상 환경에서 '대조군' 환자'를 모집했다. MRI 스캔 등 의료 데이터를 처리하는 대부분의 기존 머신러닝 방법은 해당 데이터에 숨겨진 많은 생물학적 과정에 대한 수학적 모델을 통합하지 않는다. 과거의 AI 모델은 대신 다양한 환자의 건강 데이터에서 비정상 또는 통계적 이상을 식별하기 위한 패턴만 찾았다. 그러나 이번에 개발한 '수송 기반 형태 계측법'은 연구진이 CNV 및 자폐증과 관련된 결실 또는 중복을 넘어 뇌 구조 내의 훨씬 더 뚜렷한 생물학적 변이를 구별할 수 있다. 연구진은 모든 의료 데이터의 90%가 유사한 영상에서 나온다는 점을 감안할 때, 이 방법이 새로운 유용한 자폐증 정보를 도출하는 데 도움이 될 것으로 기대했다.
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2024-09-02
[신소재 신기술(101)] 버섯 곰팡이 전기 자극으로 바이오하이브리드 로봇 제어

코넬 대학교 연구진이 곰팡이 균사체를 배양해 여기서 나오는 전기 신호를 활용, 일반 로봇보다 환경에 더 잘 반응하는 '바이오 하이브리드' 로봇 제어 방법을 새로 발견했다고 테크익스플로러가 전했다. 로봇 제조에 시간과 기술, 재료 정도가 필요했다면, 이제는 곰팡이까지 더해질 수 있게 됐다. 로봇 제어 기술 개발은 코넬 대학교 롭 셰퍼드 교수가 이끄는 유기로봇연구실의 아난드 미슈라 박사팀이 주도했으며, 「곰팡이 균사의 전기 생리학적 측정을 통해 매개되는 로봇의 감각 운동 제어」라는 제목의 논문은 '사이언스 로보틱스(Science Robotics)'에 발표했다. 셰퍼드 교수는 "이 연구는 곰팡이가 내는 생체 전기를 사용해 로봇에 환경 감지 및 명령 신호를 제공, 자율성 수준을 향상시키는 첫 번째 성과"라며 "로봇의 전자 장치에 균사체를 배양함으로써, 바이오 하이브리드 로봇이 환경을 감지하고 이에 대응할 수 있도록 할 수 있었다. 이번에는 입력원으로 빛을 사용했지만, 미래에는 화학 물질이 될 것이다. 개발할 미래 로봇은 작물에서 토양의 화학적 성질을 감지하고 비료를 뿌릴 시기를 결정할 수 있을 것"이라고 말했다. 엔지니어들은 로봇을 설계하면서 동물계에서 많은 단서를 얻었다. 동물이 움직이는 방식을 모방하고, 환경을 감지하고, 심지어 땀을 통해 내부 온도를 조절하는 기계를 만들었다. 일부 로봇은 근육 조직 세포와 같은 살아있는 조직을 통합했지만, 이러한 복잡한 생물학적 로봇 시스템은 기능적으로 유지하기 어렵다. 로봇의 성능과 기능을 살리는 작업은 쉽지 않다. 균사체는 버섯의 지하 식물체이며, 여러 가지 장점이 있다. 혹독한 환경에서도 자랄 수 있다. 또 화학적 및 생물학적 신호를 감지하고 여러 입력에 반응할 수 있다. 미슈라 박사는 "기존의 수동 센서는 한 가지 목적으로만 사용되지만 살아있는 시스템은 촉각에 반응하고, 빛에 반응하고, 열에 반응하고, 신호와 같은 알려지지 않은 것에도 반응한다"면서 "미래 로봇 제작은 예상치 못한 환경에서 어떻게 작동할 수 있을까에 초점이 맞추어질 것이다. 우리 연구팀이 찾아낸 ‘살아있는 시스템’을 활용하면 알려지지 않은 입력이 들어와도 로봇이 그에 반응할 것"이라고 밝혔다. 그러나 버섯과 로봇의 통합에는 기술에 대한 지식 이상이 필요하다. 기계나 전자공학뿐 아니라 균류학, 신경 생물학, 신호 처리에 대한 배경 지식 등도 요구된다. 이 모든 분야가 모여야 시스템을 구축할 수 있다. 그래서 연구팀은 신경 생물학 및 행동 분야(브루스 존슨 연구원)의 자문을 구해 균사체 막의 뉴런과 같은 이온 채널로 전달되는 전기 신호를 기록하는 방법을 배웠다. 농업 및 생명 과학 대학의 통합 식물 과학부(캐시 호지 박사)는 균류에 전극을 붙일 때 우려되는 오염을 방지하기 위해 깨끗한 균사체 배양 방법을 전달했다. 미슈라가 개발한 시스템은 △ 진동과 전자기 간섭을 차단하고 균사체의 전기 생리학적 활동을 실시간으로 정확하게 기록하고 처리하는 전기 인터페이스 △ 일종의 신경 회로인 중앙 패턴 생성기에서 영감을 받은 컨트롤러로 구성되어 있다. 기본적으로 이 시스템은 원시 전기 신호를 읽고, 이를 처리하고, 균사체의 리드미컬한 스파이크를 식별한 다음, 해당 정보를 디지털 제어 신호로 변환해 로봇의 액추에이터로 전송한다. 이를 바탕으로 연구팀은 거미 모양의 소프트 로봇과 바퀴 달린 로봇 등 두 가지 바이오 하이브리드 로봇을 제작했다. 개발된 로봇은 세 가지 실험을 완료했다. 첫 번째 실험에서 로봇은 균사체 신호에서 자연스럽고 연속적으로 급증하는 스파이크에 대한 응답으로 걷고 구르는 동작을 시연했다. 그런 다음 연구팀은 자외선으로 로봇을 자극하여 보행 패턴을 변화시켜 균사체가 환경에 반응하는 능력을 입증했다. 세 번째로 연구팀은 균사체의 원래 신호를 완전히 무시할 수 있었다. 이는 로봇 공학과 균류학 분야를 훨씬 넘어섬을 의미한다고 연구팀은 전했다. 신호를 받아들이면 무슨 일이 일어나고 있는지도 이해할 수 있다는 점에서, 이는 로봇을 제어하는 것만이 아니라 생명체와 진정한 연결을 만드는 것이라는 지적이다. 사람이 시각화할 수 없는 신호를 로봇은 시각화하고 있다는 것이다. 한편, 이 연구에는 이탈리아 피렌체 대학교의 김재석 연구원도 참여했다.
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2024-08-30
[우주의 속삭임(46)] 화성 운석 200개, 단 5개 분화구에서 지구로

화성에서 지구로 떨어진 운석 약 200개가 단 5개의 분화구에서 방출됐다는 연구 결과가 나왔다고 사이언스얼러트가 전했다. 지구와 화성은 직접적인 충돌은 없었지만, 물질 교환은 빈번하게 이루어져 왔다. 태양계의 격렬한 환경으로 인해 화성에서 떨어져 나온 물질들이 우주 공간을 가로 질러 지구로 떨어지는 현상이 발생한다. 태양계의 네 번째 행성인 화성의 표면적은 지구의 4분의 1에 해당하는 작은 행성이지만 태양계에서 가장 높은 화산 지대가 있다. 타르시스는 화성 서반구 적도 부근을 중심으로 한 거대한 용암 지대로 태양계에서 가장 큰 화산 지대이다. 현재까지 지구에서 발견된 운석 중 약 390개가 화성 기원으로 확인됐으며, 과학자들은 이 중 200개의 운석이 화성 표면의 특정 지역에서 유래됐음을 밝혀냈다. 놀랍게도 이 200개의 운석은 모두 화성의 타르시스(Tharsis)와 엘리시움(Elysium) 지역에 위치한 단 5개의 충돌 분화구에서 떨어져 나온 것으로 확인됐다. 캐나다 앨버타 대학교의 지질학자 크리스토퍼 허드는 "이제 우리는 이 운석들을 공통된 역사와 지구로 오기 전 화성 표면에서의 위치에 따라 분류할 수 있다"고 말했다. 물론 화성의 암석이 지구에 도달하는 과정은 쉽지 않다. 먼저 거대한 암석이 화성 표면에 강력하게 출동해 큰 분화구를 만들고, 화성 암석들을 탈출 속도에 도달할만큼 충분한 힘으로 날려 보내야 한다. 그 후 이 파편들은 수백만년이 걸릴 수 있는 지구까지의 여정을 견뎌내야 한다. 마지막으로 암석이 지구에- 도착하면 대기권 진입 시의 열과 압력을 견뎌내고 지구 표면에 충돌해0야 한다. 다행히도, 암석이 지구에 도착하면 과학자들은 암석의 특징을 연구해 비슷한 특성을 가진 운석들과 비교 분석하고, 어떤 암석들이 같은 충돌 사건 및 지구로의 여정을 공유하는 지 파악할 수 있다. 허드 박사와 그의 연구팀은 5개의 화성 운석 그룹의 발원지를 파악하기 위해 원격 감지, 모델령 및 분화ㅑ구 연대 측정과 같은 기술의 발전을 활용했다. 연구팀은 운석 그룹의 광물 프로파일을 바탕으로 화성 표면에서 해당 프로파일과 일치하는 위치를 찾았다. 대부분의 화성 운석은 화성암이기 때문에 화성의 화산 지역 중 운석의 연령과 광물 성분이 일치하는 지역을 찾는 작업이 포함됐다. 또한 적절한 연령의 분화구를 찾는 것도 중요했다. 10개의 화성 운석 그룹은 모두 60만년에서 2000만년전 사이에 방출됐다. 암석 자체와 암석이 지구에 도달할만큼 강하게 날아갔단느 사실을 바탕으로, 연구팀은 암석을 날려보낸 충돌을 모델링해 원래 분화구를 식별하는 데 도움을 얻을 수 있었다. 팀은 한 운석 그룹의 가능성을 단일 분화구로 좁힐 수 있었다. 나머지 네 그룹의 경우 각각 여러 ㅂ후보가 확인됐지만, 5개 모두 타르시스 또는 엘리시움 화산 지역으로 좁힐 수 있엇다. 향후 연구에 추가적인 제약 조건을 추가함으로써 위치를 더욱 좁힐 수 있으며, 이는 화성을 정밀하게 연구할 수 있는 훌륭한 도구를 제공한다. 허드는 "어쩌면 우리는 화성 표면에서 날아가기 전에 모든 암석의 위치, 화산 층서를 재구성할 수도 있다. 생각해보면 정말 놀랍다. 실제로 허ㅏ성에 가서 암석을 집어드는 것과 가장 가까운 것이다"라고 말했다. 이 연구는 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 게재됐다.
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2024-08-29
[퓨처 Eyes(48)]세계 최초, 전자의 움직임 포착하는 '아토현미경' 개발 - 과학계 새 지평 열다

미국 애리조나 대학교 연구팀이 세계 최초로 전자의 움직임을 포착하는 투과 전자 현미경, 일명 '아토현미경' 개발에 성공했다. 이 현미경은 찰나의 순간에도 지구를 수십 바퀴 돌 수 있는 전자의 움직임을 포착할 수 있을 정도로 강력하다. 전자는 아주 작은 입자로 원자를 구성하는 기본 요소 중 하나다. 전자는 음(-)의 전하를 띠고 있으며, 원자핵 주변을 빠르게 돌고 있다. 전자의 움직임은 전기, 빛, 화학 반응 등 다양한 현상의 근본적인 원인지 된다. 연구팀은 움직이는 전자의 정지 프레임 화면을 찍을 만큼 강력한 아토현미경 개발이 물리학, 화학, 생명공학, 재료 과학 등 다양한 분야에 획기적인 발전을 가져올 것으로 기대하고 있다. 연구를 주도한 모하메드 하산(Mohammed Hassan) 물리학 및 광학 과학 부교수는 "이 투과 전자 현미경은 최신 스마트폰에 탑재된 고성능 카메라와 같다"며 "이전에는 볼 수 없었던 전자의 움직임을 관찰하고, 이를 통해 과학계가 전자의 행동과 양자 물리학을 더 깊이 이해할 수 있기를 바란다"고 밝혔다. 전자 빔 투과로 상세 이미지 생성 투과 전자 현미경은 빛 대신 전자 빔을 사용하여 물체를 최대 수백만 배까지 확대하는 장비다. 기존 광학 현미경으로는 볼 수 없는 미세한 부분까지 관찰할 수 있어 과학 연구에 널리 활용되고 있다. 다시 말하면, 투과 전자 현미경은 가시광선을 사용하는 대신 전자 빔을 연구 중인 샘플에 통과시킨다. 전자와 샘플 사이의 상호작용은 렌즈로 포착되고 카메라 센서로 감지되어 샘플의 상세한 이미지를 생성한다. 이와 같은 원리를 사용하는 초고속 전자 현미경은 2000년대 처음 개발됐으며, 레이저를 사용해 펄스 전자 빔을 생성한다. 이 기술은 현미경의 시간적 해상도, 즉 시간에 따른 샘플의 변화를 측정하고 관찰할 수 있는 능력을 크게 향상시킨다. 이러한 초고속 현미경에서는 카메라의 셔터 속도에 따라 이미지 품질이 결정되는 대신 투과전자 현미경의 해상도는 전자 펅스의 지속 시간에 따라 결정된다. 펄스가 빠를수록 이미지가 더 선명해진다. 연구팀이 개발한 아토현미경은 펨토초(femtosecond, 1000조분의 1초)보다 훨씬 빠른 아토초(attosecond, 100경 분의 1초-팸토초보다 1000배 더 짧음) 단위로 전자 펄스를 생성한다. 이는 2023년 노벨 물리학상을 수상한 과학자들의 연구를 기반으로 한 것으로, 극자외선 방사선 펄스를 아토초 단위로 측정하는 기술을 응용했다. 아토현미경은 강력한 레이저를 두 개의 초단파 광 펄스로 변환하여 작동한다. 첫 번째 펄스는 샘플에 에너지를 공급하여 전자를 움직이게 하고, 두 번째 펄스는 아토초 단위로 전자 펄스를 생성하여 샘플을 탐색한다. 두 펄스의 정밀한 동기화를 통해 전자의 움직임을 원자 수준에서 실시간으로 관찰할 수 있다. 하산 교수는 "전자 현미경 내부의 시간 해상도 개선은 오랜 숙원이었다"며 "이제 '아토현미경'을 통해 처음으로 전자의 움직임을 볼 수 있게 되었다"고 말했다. 아토현미경 개발의 의미 아토현미경의 개발은 과학계에 새로운 지평을 여는 혁신적인 성과로 평가된다. 전자의 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있게 됨으로써, 과학자들은 다음과 같은 분야에서 획기적인 발전을 이룰 수 있을 것으로 기대하고 있다. 1) 물질의 근본적인 특성 규명 아토현미경을 통해 물질 내 전자의 상호작용 및 에너지 전달 과정을 밝혀낼 수 있다. 이는 새로운 소재 개발, 에너지 효율 향상, 촉매 반응 개선 등 다양한 분야에 응용될 수 있다. 2) 생명 현상의 이해 증진 생체 분자 내 전자의 이동 및 화학 반응 과정을 관찰하여 생명 현상의 메커니즘을 밝히고, 질병 치료 및 신약 개발에 기여할 수 있다. 3) 양자 컴퓨팅 기술 발전 양자 컴퓨팅의 핵심 요소인 큐비트의 동작 원리를 이해하고, 양자 컴퓨터 개발에 필요한 기술적 난제를 해결하는 데 도움을 줄 수 있다. 이번 연구 결과는 과학 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 게재됐다.
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2024-08-29
[신소재 신기술(98)] 지속가능한 플라스틱? 친환경 대체 소재 개발

영국에서 친환경 플라스틱 소재가 개발돼 플라스틱 오염 문제 해결에 한 걸음 더 가까이 다가서고 있다. 워릭 대학교 연구진은 플라스틱과 유사하지만 환경 파괴를 일으키지 않아 보다 지속 가능한 소재인 유기 공융체를 테스트했다고 테크 타임스가 20일(현지시간) 보도했다. 이 신소재는 플라스틱을 대체하고 전 세계의 플라스틱 의존도를 낮출 잠재력을 가지고 있다고 연구팀은 밝혔다. 수년 동안 플라스틱 폐기물은 기하급수적으로 증가했다. 특히 오랜 시간 분해되지 않고 매립지에 축적되거나 바다로 흘러들어가 환경 문제를 야기해왔다. 플라스틱 해양 투기는 미세 플라스틱(5mm미만인 플라스틱)으로 쪼개져 심해 오염으로 이어져 해양 식량 사슬을 오염시키고, 조개류나 해산물 등을 통해 인체에 재침투되는 결과를 낳고 있다. 특히 인체에 침투한 미세 플라스틱은 심장마비나 뇌졸중 발병 위험을 높이고, 사망률을 높이는 요인이 되고 있다. 전 세계적으로 플라스틱 제품 사용 감축을 위한 노력이 이어져왔지만 가볍고 내구성이 뛰어난 강점을 지닌 플라스틱은 여전히 다양한 산업에서 중요한 소재로 사용되고 있다. 유럽 플라스틱 산업 협회인 플라스틱스유럽(Plastics Europe)에 따르면, 2020년 세계 플라스틱 생산량은 2018년보다 800만 톤 증가한 3억 6700만 톤에 달했다. 프랑스 파리 에펠탑의 무게는 약 1만톤에 달한다. 2020년 전 세계 플라스틱 생산량은 에펠탑이 3만6700개가 만들어진 것과 맞먹는 양이다. 전 세계 플라스틱 생산량은 2040년까지 두 배, 2060년까지 세 배로 증가할 것으로 예상되며, 그 증가분의 대부분은 일회용 플라스틱에서 발생한다. 워릭 대학교 연구팀은 혼합하면 새로운 "유기 및 점성 액체"를 형성하는 특정 유기 분자를 발견했으며, 이를 '(지속가능한 플라스틱) 유망 후보'라고 불렀다. 또한 시차 주사 열량계(DSC) 및 UV-Vis 분광법과 같은 첨단 기술을 사용해 새로운 소수성 물질을 정확하게 측정했다. 연구팀은 결정 성분을 혼합해 '유기 공융체'라고 불리는 새로운 물질을 개발했다. 팀은 이 물질리 폴리머를 대체할 잠재력을 가진 '소수성 공융 분자 액체'를 개발하는 데 성공했다고 여긴다. 매우 짧은 수명 한계 그러나 이 소재는 수명이 매우 짧다는 한계를 가지고 있다. 연구팀은 테스트 결과 최대 14개월 동안만 지속될 수 있음을 확인했다. 그럼에도 불구하고 연구팀은 제조 과정에서 안정성과 가공성을 보장할 수 있었다. 플라스틱은 한때 다양한 산업, 특히 제품과 소비재에 널리 사용되면서 혁신적인 소재로 여겨졌다. 그러나 유기 물질과 달리 분해가 되지 않아 폐기와 재활용 등에서 심각한 환경 오염 문제를 일으키고 있다. 일회용 플라스틱 및 기타 형태의 플라스틱 사용을 줄이기 위한 노력이 있지만 문제는 여전히 남아 있다. 재활용 외에도 과학을 이용해 플라스틱을 제거하는 방법을 개발하는 연구가 진행중이다. 한 연구에서는 플라스틱을 분해할 수 있는 유전자 조작 박테리아를 개발해 해양에 적용할 계획을 가지고 있다. 일회용 플라스틱을 줄이기 위해서는 다회용품을 사용하고, 텀블러나 개인 컵을 들고 다니거나 플라스틱 빨대 사용을 줄이는 등 일상 속의 작은 노력이 필요할 때다.
- 포커스온
2024-08-22
[기후의 역습(46)] 태양 복사열의 미세한 변화, 지구 기후 대변혁 일으켰다

지구의 주요 열원인 태양 복사열의 지속적 감소가 약 100만 년 전 지구 기후의 재편을 일으켰다는 연구 결과가 나왔다. 지구에 도달하는 태양 복사의 누적된 미세한 변화가 지구의 빙하기를 변화시키는 주요 기후 변화를 촉발하는 데 큰 영향을 미쳤다는 증거가 발견됐다고 SCMP(사우스차이나모닝포스트)가 전했다. 복사는 빛으로 열이 전달되는 것으로 태양이 지구에 열을 전달하는 방식이다. 따라서 태양이 지구로 보내는 빛은 지구 표면에서 복사열 또는 복사 에너지로 지구의 기후에 절대적인 영향을 미치게 된다. 중국 과학아카데미(CAS) 지구환경연구소의 진장둥 박사 연구팀이 수행한 이 연구는 지난 200만 년 동안 지구의 기후를 조사한 것으로, 지구로 유입된 태양 복사가 어떻게 바다를 가열하거나 냉각시켜 기후 변화를 촉진시켰는지의 내막을 밝힌 것이다. 분석 결과 지구로 유입된 태양 복사량은 93만 5000년 전까지 지속적으로 감소했다. 이는 당시 차가운 해수면 온도의 직접적인 원인일 가능성이 높으며, 지구가 더 춥고 더운 기간 사이의 순환 방식을 변화시킨 중요한 과도기적 기후 전환기였다. 일사량이라고 불리는 지구에 유입되는 태양 복사는 지구 기후 시스템의 주요 열원 역할을 한다. 연구팀은 "우리는 누적된 일사량 교란(감소)이 지구 기후 시스템 내의 열 균형을 깨뜨려 플라이스토세(홍적세)의 장기 기후 변화에 영향을 미쳤다고 본다"고 말했다. 플라이스토세는 지구 지질 시대에서 기원전 260만 년부터 기원전 9700년까지 약 257만 년 동안의 시기로, 신생대 제4기의 대부분의 시기를 말한다. 플라이스토세 시대에는 세계 많은 지역에 빙상과 빙하가 광범위하게 반복적으로 형성됐는데, 이것이 당시의 냉각 때문이라는 것이다. 일사량은 기후 변화를 주도하는 것으로 알려져 있지만, 일사량이 장기 기후 변화에 미치는 영향은 여전히 미지의 영역이다. 일사량은 플라이스토세 동안 해수면 온도가 섭씨 2.3도 하락한 것을 포함, 장기적인 냉각 추세의 주요인으로는 간주되지 않았었다. 냉각 추세는 중기 플라이스토세 전환으로 이어졌는데, 이는 전 세계 빙하기 사이의 기간을 의미하는 빙하기 주기의 길이를 약 4만 1000년에서 10만 년으로 연장한 주요 기후 사건이었다. 한편 사이언스 저널에 실린 또 다른 논문에서 중국 연구팀은 지구에 도달하는 태양 복사열의 감소에 따른 누적된 영향이 바다의 열을 크게 낮춰 빙상이 성장하는 데 필요한 조건을 만들었다고 밝혔다. 연구팀은 장기적인 기후 변화에 미치는 일사량의 영향을 조사하기 위해 전 세계 해수면 온도에 대한 26개의 기록을 수집하고 일사량 이상치를 정량화할 수 있는 새로운 지수를 도입했다. 연구팀은 일사량의 변화는 작았지만, 지구로 유입되는 태양 복사선의 작은 변화조차도 바다의 열 함량을 변화시켜 열 균형에 영향을 미칠 수 있으며, 누적된 변화는 큰 열 불균형을 초래할 수 있다고 말했다. 지구 표면의 70% 이상을 덮고 있는 바다는 인간이 생성하는 열의 90% 이상을 흡수하는 주요 열 저장소다. 연구팀은 약 90만 년 전 일어난 '기후 시스템의 재편'으로 인해 지구상의 얼음 부피가 증가했다고 밝혔다. 연구팀은 "우리의 시뮬레이션 결과는 누적 일사량의 감소가 '냉각 사건'에 기여했음을 시사한다"고 말했다. 연구팀은 "대기 중 이산화탄소와 기타 측정치를 통합한 추가 시뮬레이션을 통해 장기적인 기후 추세에 대한 더 깊은 지식과 이해를 얻어야 할 것"이라고 지적했다.
- 포커스온
2024-08-21
[먹을까? 말까?(53)] 하버드 연구, 붉은 육류 속 헴 철분 당뇨병 위험 높여

소고기 등 붉은 색 고기에 함유된 철분이 당뇨병 발병과 연관성이 있는 것으로 밝혀졌다. 미국 하버드 T.H. 챈 보건대학원 연구팀은 붉은 육류 및 동물성 식품에 함유된 헴 철분의 과다 섭취가 제2형 당뇨병 발병 위험을 높인다는 연구 결과를 발표했다고 사이테크데일리가 전했다. 연구팀은 헴 철분과 제2형 당뇨병 사이의 연관성뿐만 아니라 그 기저에 깔린 대사 경로까지 밝혀냈다. 반면, 식물성 식품에 함유된 '비헴 철분'은 당뇨병 위험과 관련이 없는 것으로 나타났다. 이번 연구는 붉은 육류 섭취를 줄이고 식물성 식품 위주의 식단을 채택하는 것이 당뇨병 예방에 도움이 될 수 있음을 시사한다. 또한, 최근 인기를 얻고 있는 식물성 대체육에 헴 철분을 첨가하는 것에 대한 우려를 제기했다. 철분 섭취와 제2형 당뇨병 연관성 입증 연구팀은 '간호사 건강 연구 I 및 II'와 '건강 전문가 추적 연구'에 등록된 20만6615명 성인의 36년간 식이 보고서를 분석해 철분과 제2형 당뇨병 사이의 연관성을 평가했다. 팀은 총 철분, 헴 철분, 비헴 철분, 식이 철분(음식에서 섭취), 보충 철분(보충제에서 섭취) 등 다양한 형태의 철분 섭취량과 제2형 당뇨병 발병 여부를 조사했다. 또한 참가자 일부를 대상으로 헴 철분과 제2형 당뇨병 사이의 생물학적 메커니즘을 분석했다. 연구팀은 참가자 3만7544명의 혈장 대사 바이오마커(인슐린 수치, 혈당, 형중 지질, 염증, 철 대사 관련 바이오마커 포힘)를 조사하고, 참가자 9024명의 대사체 프로파일(음식 또는 화학 물질 분해 등 신체 과정에서 파생된 저분자 대사산물의 혈장 수치)을 분석했다. 헴 철분 섭취량 높을수록 당뇨병 위험 증가 연구 결과 헴 철분 섭취량이 높을 수록 제2형 당뇨병 위험이 증가하는 것으로 나타났다. 헴 철분 섭취량이 가장 높은 그룹은 가장 낮은 그룹에 비해 제2형 당뇨병 발병 위험이 26% 높았다. 또한 헴 철분은 가공되지 않은 붉은 육류와 관련된 제2형 당뇨병 위험의 절반 이상을 차지하며, 여러 당뇨병 관련 식이 패턴의 위험에도 상당 부분 기여하는 것으로 밝혀졌다. 반면, 이전 연구 결과와 마찬가지로 식이 또는 보충제를 통한 비헴 철분 섭취는 제2형 당뇨병 위험과 유의미한 관련성이 없는 것으로 나타났다. 공중 보건 및 식이 권장 사항에 대한 시사점 연구팀은 이번 연구 결과가 당뇨병 발생률 감소를 위한 식이 지침 및 공중 보건 전략 수립에 중요한 시사점을 제공한다고 강조했다. 특히, 식물성 대체육에 헴 철분을 첨가해 육류의 맛과 외관을 향상시키는 것에 대해서는 건강 영향에 대한 추가 연구가 필요하다고 밝혔다. 팀은 "이번 연구는 당뇨병 예방을 위한 식단 선택의 중요성을 강조한다"며 "특히 붉은 육류에서 헴 철분 섭취를 줄이고 식물성 식품 위주의 식단을 채택하는 것이 당뇨병 위험을 낮출 수 있는 효과적인 전략이 될 수 있다"고 말했다. 한편, 연구팀은 이번 연구가 몇 가지 한계점을 가지고 있다고 인정했다. 역학 데이터에서 혼란 변수 및 측정 오류를 완전히 설명하지 못했을 가능성과, 주로 백인을 대상으로 한 연구 결과를 다른 인종 및 민족 그룹에 일반화하는 데 주의가 필요하다는 점을 지적했다.
- 생활경제
2024-08-21
[먹을까? 말까?(52)] 매일 자두 섭취, 건강에 어떤 이점 있을까?

말린 자두(서양자두)는 소화를 돕고 뼈 건강에 기여하며 심장 건강을 돕는 효과가 있는 것으로 나타났다. 2024년 국제 골다공증 학회지에 발표된 연구에 따르면 1년 동안 매일 자두를 먹은 폐경 후 여성은 자두를 먹지 않은 여성에 비해 뼈 구조와 추정 뼈 강도의 특정 측정치가 보존된 것으로 나타났다고 이팅웰이 전했다. 이 연구는 55~75세 폐경 후 여성 183명을 대상으로 12개월간 진행된 무작위 대조군 임상시험인 '더 프룬(The Prune)' 연구의 일부다. 프룬 연구에서 발표된 여러 논문에 따르면 매일 자두를 섭취하면 노년기의 뼈 손실 완화에 도움이 될 수 있다. 연구를 이끈 레슬리 본치 박사는 "자두에는 뼈 건강에 긍정적인 영향을 미치는 미네랄, 비타민 K, 페놀 화합물, 섬유질, 항염증 성분이 독특하게 조합되어 있다"고 말했다. 또한, 2022년에 발표된 연구에서는 골다공증과 관련하여 자두에 대해 심층적으로 분석했다. 이 연구에 따르면 자두에 함유된 항산화제와 항염증 화합물은 폐경 후 여성의 골 손실을 예방하고 경우에 따라서는 골 손실을 되돌릴 수 있다고 한다. 본치는 자두를 매일 먹는 습관을 들이면 뼈를 보호하는 데도 도움이 될 수 있다고 거듭 강조했다. 최근 영양학 저널에 발표된 연구에 따르면 매일 100g(약 9~10개)의 자두를 섭취하면 신체 중심부, 특히 복부 내장 지방의 지방 분포 변화를 예방할 수 있다고 한다. 자두는 또한 건강한 혈압 수준을 유지하고 전반적인 심장 건강을 지원하는 데 중요한 칼륨의 좋은 공급원이다. 게다가 혈당 수치를 더 건강하게 유지할 수 있다 말린 과일은 종종 당뇨병 관리 시 피해야 할 식품으로 오해를 받았다. 하지만 최근 자두, 말린 살구, 건포도를 이용한 BMC 영양 및 신진대사에 실린 연구에 따르면 이러한 말린 과일을 많이 섭취할수록 제2형 당뇨병 위험이 감소하는 것으로 나타났다. 견과류, 오트밀, 브로콜리와 마찬가지로 자두에 함유된 섬유질은 자연적으로 발생하는 당의 흡수 속도를 늦춰 혈당 수치를 안정시키고 급격한 상승을 방지하는 데 도움이 될 수 있다. 말린 과일은 적당히 섭취하는 것이 가장 좋으며(성인 표준 1회 제공량은 약 ¼컵 또는 자두 4~6개), 신선한 과일과 냉동 과일을 함께 섭취하는 것도 좋다. 식이섬유 함량 높아 미국 농무부에 따르면 성인 표준 1회 제공량인 자두 4개에 함유된 영양 성분은 다음과 같다. 칼로리 90(kal), 탄수화물 24g, 총 당류 14g, 단백질 1g, 비타민 K 23mcg(하루 영양소 기준치 20%), 구리 0.1mg(하루 영양소 기준치 10%), 칼륨 280mg(6%) 등이 포함돼 있다. 또한 자두는 소화를 돕고 포만감을 증진하는 데 도움이 되는 3g의 식이섬유를 공급한다. 아울러 혈액 응고와 뼈 건강에 중요한 미량 영양소인 비타민 K가 특히 풍부하다. 그렇지만 지방과 콜레스테롤, 나트륨은 함유되어 있지 않다. 자두는 대부분의 사람에게 건강하고 안전한 식품으로 간주된다. 그러나 자두의 높은 섬유질과 소르비톨 함량으로 인해 권장 섭취량을 초과해서 많은 양의 자두를 섭취하는 경우, 일부 사람들은 복부 팽만감이나 가스를 경험할 수 있다. 따라서 불편한 증상 없이 효과를 보려면 하루 1회 제공량을 지키는 것이 가장 좋다. 드물기는 하지만 일부 사람들은 자두 알레르기가 있을 수 있다. 알레르기가 의심되는 경우 자두를 섭취하기 전에 반드시 의료진이나 영양사에게 문의해야 한다.
- 생활경제
2024-08-20
[기후의 역습(45)] "남극 대륙이 솟아오르고 있다"…해수면 상승 가속 우려

남극 대륙의 빙하가 녹으면서 무게가 가벼워지고 있다. 수축해 있던 스펀지가 다시 팽창하는 것처럼, 얼음에 눌려 있던 남극 대륙이 융기, 즉 바다에서 솟아오르고 있다고 사이언스얼라트가 경고했다. 이 과정은 빙하 후 융기(post-glacial uplift)라고 불린다. 새로운 연구에 따르면 이것이 미래의 전 세계 해수면 상승에 막대한 영향을 미칠 것으로 보인다. 이는 남극 대륙의 해수면 억제력을 최대 40%까지 줄일 수도 있고, 대기에 열을 가두고 남극의 빙하를 녹이는 화석연료 연소를 얼마나 계속 유지하느냐에 따라 상황은 훨씬 더 악화될 수도 있다는 우려다. 연구팀원인 캐나다 맥길 대학교 빙하학자 나탈리아 고메즈는 "바다에 접한 해안 지역에 사는 인구가 약 7억 명에 달하고, 금세기말까지 해수면 상승으로 인한 비용이 수조 달러에 달할 수 있기 때문에, 남극 빙하가 녹는 데 따르는 도미노 효과를 이해하는 것은 매우 중요하다"라고 말했다. 문제는 지난 몇 년 동안 남극 빙하가 최악으로 낮은 상태를 유지했다는 것. 고메즈와 연구팀은 남극 빙상 아래에 있는 지구의 맨틀을 조사했고, 일부 주요 지역에서 특히 찌그러지고 물렁해져 있는 것을 발견했다. 이곳의 지진 데이터는 높은 수준의 점도가 예상치 못할 정도로 빠르게 땅이 융기하고 있다는 것을 밝혀 냈다. 다른 연구원 오하이오 주립대학 지질학자 테리 윌슨은 "우리가 측정한 결과 남극 빙상의 기초를 형성하는 단단한 땅의 모양이 놀라울 정도로 빠르게 바뀌고 있다"고 말했다. "지표면의 얼음이 줄어들어 땅이 융기하는 것은 수천 년에 걸친 것이 아니라 지난 수십 년 만에 일어나고 있는 현상"이라는 것이다. 연구팀은 3D 모델링을 사용, 다양한 시나리오에서 남극 대륙의 육지 변화로 인한 해수면 상승을 시뮬레이션했다. 온난화 수준이 낮게 유지되면 2500년까지 해수면이 최대 1.7m 상승하지만, 지구 온난화가 계속 증가할 경우 최대 19.5m까지 치솟는다. 이는 빙하가 줄어드는 속도가 융기보다 빠를 때, 더 많은 물이 바다로 방출되기 때문이다. 그러나 우리가 빙하가 녹는 속도를 늦출 수 있다면, 융기하는 육지가 따뜻한 바닷물에서 얼음의 일부를 들어 올려 더 오래 보존할 수 있을 것이다. 매사추세츠 대학교 빙하학자 롭 디콘토는 "이 연구는 기후 변화가 해수면 상승에 미치는 영향을 더 잘 예측하고 효과적인 환경 정책을 수립할 수 있는 획기적인 진전"이라고 평가했다. 지구는 완벽하게 매끄러운 구체가 아니다. 그렇기 때문에 지구의 다른 부분은 중력, 회전 및 지질학적 특성으로 인해 독특한 해수면 영향을 받게 된다. 고메즈와 연구팀은 "이번 연구 결과는 이미 해수면 상승의 영향을 받고 있는 저위도 지역의 섬과 해안 지역이 남극 빙하 손실로 인해 평균보다 높은 해수면 상승을 겪을 것이라는 최근 연구 결과를 뒷받침한다"고 설명했다. 특히 "연구 결과는 해수면 상승에 대한 취약성이 높은 반면 배출량은 적은 국가에 대한 기후 불공평이 심각함을 드러낸다"고 지적했다. 연구팀은 연구 모델에 여전히 많은 불확실성이 있으며, 특히 서남극 대륙의 지진 데이터가 부족하기 때문에 그렇다고 밝혔다. 그리고 이러한 추정치는 그린란드의 빙하와 정상에 얼음을 안고 있는 전 세계 산에서 무슨 일이 일어나고 있는지 고려되지 않았다. 남극 대륙을 벗어나 지구 전체를 감안할 때 실상은 더욱 심각할 것이라는 의미다.
- 포커스온
2024-08-20
[신소재 신기술(97)] 나노스케일 물체 온도 측정 소재 개발⋯초소형 온도계 활용 기대

미국 캘리포니아 대학교 어바인 캠퍼스(UC Irvine) 연구팀이 온도 변화에 따라 색이 변하는 1차원 나노 물질을 개발했다. 이 연구 결과는 나노 크기 물체의 온도를 측정할 수 있는 새로운 가능성을 제시한다. 연구 결과는 학술지 '첨단 소재(Advanced Material)'에 게재됐다. 연구를 주도한 UC 어바인 막스 아르기야 화학 교수는 "이번 연구 결과를 통해 매우 작고 민감한 온도계를 만들 수 있게 됐다"며 "이는 우리 실험실에서 나온 가장 실용적이고 응용 가능성이 높은 연구 중 하나"라고 밝혔다. 아르기야 교수는 이 온도계를 '나노 크기의 무드 링'에 비유했다. 무드 링은 착용자의 체온에 따라 색이 변하는 장신구다. 하지만 이번에 개발된 나노 물질은 단순히 온도를 질적으로 측정하는 것을 넘어, 색 변화를 통해 나노 스케일에서 온도를 정량적으로 측정할 수 있다. 아르기야 교수는 "많은 생물학적 및 산업 공정이 미세한 온도 변화 추적에 의존하기 때문에 온도 측정은 매우 중요하다"며 "이제 세포 내부 온도까지 측정할 수 있는 온도계를 개발할 수 있을 것"이라고 덧붙였다. 연구팀의 박사후 연구원 드미트리 코르도바는 이 광학 온도계가 회로와 데이터 저장 장치를 포함한 마이크로 및 나노 전자 장치의 온도를 측정하고 효율성을 평가하는 데에도 잠재적으로 활용될 수 있다고 설명했다. 그는 "이미 산업 분야에서는 컴퓨터 부품 제조 시 광학 온도계를 사용하고 있지만, 이번에 개발된 새로운 물질은 "기존보다 최소 10배 이상 민감하다"고 강조했다. 이번 연구의 핵심적인 발견은 코르도바와 동료 연구원들이 실험실에서 나노미터 길이 규모에서 나선형 '슬링키'와 유사한 결정을 성장시키는 과정에서 이루어졌다. 연구팀은 처음에는 이 결정이 어떤 온도에서 분해되는지 확인하기 위해 열 스트레스를 가했다. 코르도바와 학부 연구원 레오 청은 그 과정에서 결정의 색이 온도에 따라 노란색에서 주황색으로 체계적으로 변화하는 것을 발견했다. 연구팀은 색이 나타내는 온도 범위를 정밀하게 측정했고, 옅은 노란색은 영하 190도, 붉은 주황색은 영상 200도 정도의 온도에 해당한다는 사실을 확인했다. 아르기야 교수는 "측정의 정확성을 확보하기 위해 많은 노력을 기울였다"고 말했다. 연구팀은 나노 스케일의 물질 샘플을 얻기 위해 벌크 규모의 결정에 접착 테이프를 붙이고 떼어낸 후, 테이프에 붙은 나노 스케일 샘플을 투명 기판에 옮겼다. 아르기야는 "이 구조들을 떼어내 나노 스케일 온도계로 사용할 수 있으며, 다른 재료나 표면에 옮기거나 재구성하여 결합할 수 있다"고 설명했다. 그는 이번 발견이 나노미터 스케일에서 온도를 측정하는 새로운 종류의 물질을 발견하는 첫걸음이라고 말했다. 다음 단계로, 연구팀은 더 넓은 온도 범위를 측정할 수 있는 온도계를 개발하기 위해 다른 나노 스케일 물질을 테스트할 계획이다. 아르기야는 "이제 더 민감한 물질을 만들기 위해 재료 설계 규칙을 해킹하려고 노력하고 있다"며 "벌크 스케일에서 나노 스케일까지 광학 온도 측정을 위한 도구 상자를 열려고 한다"고 밝혔다.
- 포커스온
2024-08-19
[신소재 신기술(93)] 미국 버팔로대학, 세계 최고 성능 초전도체 와이어 개발…에너지 혁신 앞당겨

미국에서 세계 최고 성능의 초전도체 와이어가 개발됐다. 미국 버팔로 대학교 화학생물공학과 아미트 고얄 교수 연구팀이 세계 최고 성능의 초전도(HTS) 와이어 개발에 성공했다고 Phys. org, 인터레스팅엔지니어링 등 다수 외신이 전했다. 이번에 개발된 와이어는 섭씨 영하 268도에서 영하 196도 사이의 온도에서 작동한다. 이는 다른 초전도체의 작동 온도인 절대 영도보다는 높지만 여전히 극저온 환경이다. HTS 와이어는 전력 손실 없이 전기를 전송할 수 있어 미래 에너지 시스템의 핵심 요소로 주목받고 있다. 해상 풍력 발전소의 전력 출력을 두 배로 높이고, 초전도 자기에너지 저장 시스템을 구축하는 등 에너지 인프라 분야에서 다양한 활용이 기대된다. 또한, 최근에는 핵융합 원자로, 차세대 이미징 및 분광 기술에도 적용되고 있다. HTS 와이어는 비교적 높은 온도에서 작동하는 장점이 있지만, 제조 비용이 높다는 단점이 있었다. 버팔로 대학교 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 기존의 이온 빔 보조 증착(IBAD) 기술과 나노기둥 결함 기술을 결합한 새로운 방식을 개발했다. 나노기둥 결함 기술은 절연 또는 초전도 물질을 초전도체에 통합하여 더 높은 초전류 흐름을 가능하게 하는 기술이다. 연구팀은 희토류 바륨 구리 산화물(REBCO) 와이어에 펄스 레이저 증착 시스템을 사용하여 HTS 필름을 제작했다. 또한 캐나다 맥마스터 대학교와 이탈리아 살레르노 대학교와의 협력을 통해 원자 해상도 현미경 및 초전도 특성 측정을 수행했다. 이번에 개발된 HTS 와이어는 5 켈빈(-268℃)에서 77 켈빈(-196℃)까지 모든 자기장 및 온도에서 최고의 임계 전류 밀도와 고정력을 달성했다. 특히, 4.2 켈빈에서 외부 자기장 없이 제곱센티미터당 1억 9000만 암페어의 전류를 전달했으며, 7 테슬라의 자기장에서는 제곱센티미터당 9000만 암페어를 전달했다. 또한, 상용 핵융합 반응 온도인 20 켈빈에서는 외부 자기장 없이 제곱센티미터당 1억 5000만 암페어, 7 테슬라 자기장에서는 제곱센티미터당 6000만 암페어 이상의 전류를 전달하는 데 성공했다. 이러한 성과는 0.2 마이크론 두께의 HTS 필름으로 달성되었다는 점에서 더욱 주목할 만하다. 일반적으로 이 정도의 전류를 전달하려면 10배 더 두꺼운 HTS 와이어가 필요하다. 이 연구의 책임 저자인 아미트 고얄 박사는 "이러한 결과는 산업이 상업용 코팅 도체의 가격 대비 성능 지표를 크게 개선하기 위해 증착 및 제조 조건을 더욱 최적화하는 데 도움이 될 것"이라면서 "가격 대비 성능 지표를 더욱 유리하게 만드는 것은 초전도체의 수많은 대규모 예상 응용 분야를 완전히 실현하는 데 필요하다"고 말했다. 이번 연구는 학술지 '네이처 커뮤니케이션'에 게재됐다.
- 포커스온
2024-08-09
[기후의 역습(38)] 안데스산맥 빙하, 1만1천 년 만에 최소 면적 기록

선사시대에 얼음으로 뒤덮였던 남미 안데스산맥 빙하가 녹아 바위를 드러내고 있다. 이곳 열대 빙하는 1만 1700년 만에 가장 작은 크기로 줄어들어 기후 변화의 직격타를 맞고 있는 것으로 밝혀졌다. 이는 보스턴 칼리지 연구팀이 조사한 것으로, 연구 결과는 '사이언스' 저널에 게재됐다고 PHYS가 전했다. 보스턴 칼리지 연구팀이 안데스산맥의 4개 빙하에 인접한 암석 샘플을 분석한 결과 빙하 후퇴가 예상보다 심각했다. 지구과학자들은 과거에도 적도에 접한 열대 지방의 기온이 올라감에 따라 이 지역 빙하가 녹거나 후퇴할 것이라고 예측했는데, 이번 조사 결과에 따르면 빙하의 후퇴는 지금까지의 예측을 뛰어넘어 훨씬 빠르게 진행됐다. 연구팀을 이끈 제러미 샤쿤 박사는 "현재의 빙하 면적과 크기가 지난 1만 1000년 동안 과거 어느 때보다 작다는 강력한 증거가 있다"고 말했다. 그는 "최근 빙하 후퇴가 적설량 감소나 구름의 변화가 아닌 기온 상승 때문이라는 점을 감안할 때, 열대 지방은 이미 홀로세(신생대 제4기 마지막부터 현재까지 진행 중인 지질 시대) 범위를 벗어나 인류세(인간 활동이 지구환경에 영향을 미친 산업혁명 이후 현재)로 들어와 있다는 것을 발견했다"고 설명했다. 따라서 빙하는 이제 더 이상 홀로세 간빙기로 분류되지 않을 것으로 보인다. 홀로세 간빙기는 문명이 탄생하고, 물이 마을과 도시의 형성 및 농업과 상업 활동의 번성을 결정한 중요한 시대다. 그러나 빙하에 관한 한 종말을 향해 나아가고 있는 시대, 즉 인류세로 분류하는 것이 옳다는 게 보고서의 지적이다. 보고서는 전 세계 빙하의 대부분이 예상보다 훨씬 빠르게 녹아내리고 있으며, 기후학에서 예상하는 일정보다 적어도 수십 년 앞설 가능성이 있다고 시사한다. 샤쿤은 "안데스 빙하 감소는 빙하가 중요한 기준점을 넘어섰다는 지구상의 첫 번째 강력한 증거다. 이는 지구상 모든 곳의 빙하에 대한 '탄광의 카나리아(다가올 위험을 먼저 알려주는 존재)'다"라고 설명했다. 안데스산맥에서의 연구팀의 목표는 지난 1만 1000년 동안 열대 빙하가 어떻게 줄었는지를 확인하는 것이었다. 팀은 안데스산맥이 퍼져 있는 콜롬비아, 페루, 볼리비아에서 최근 빙하가 녹아 드러난 기반암의 성분을 측정했다. 베릴륨-10과 탄소-14라는 두 가지 희귀한 동위 원소가 우주에서 온 우주 방사선에 노출되면 기반암 표면에 축적된다. 빙하 밑에 있다가 최근 노출된 기반암에서 이들 동위 원소의 농도를 측정하면 과거에 기반암이 노출된 시간을 확인할 수 있다. 이를 통해 빙하가 오늘날과 비교해 어땠는지 또한 알 수 있다. 햇볕에 그을린 정도를 통해 사람이 햇볕에 얼마나 오래 노출되었는지 알 수 있는 것과 유사하다. 연구팀은 4개의 열대 빙하 앞에서 측정한 18개의 기반암 샘플에서 베릴륨-10이나 방사성 탄소-14를 거의 발견하지 못했다. 이는 이곳 빙하가 마지막 빙하기에 형성된 이후 우주 방사선에 노출된 적이 없다는 것을 말해준다. 다시 말해 이 지역은 최근까지 빙하에 덮여 드러나지 않았으며, 현재의 빙하는 전례없는 수준으로 녹고 있다는 방증이다. 한편, 20년 전 세계에서 가장 큰 열대 빙하인 페루 퀘르카야 빙하를 연구하던 과학자들은 빙하에 있던 식물의 잔해가 빙하가 녹으면서 같이 흘러내리는 것을 발견했다. 방사성 탄소 연대 측정 결과, 이 식물의 나이는 5000년으로 추정됐다. 이는 퀘르카야 빙하가 5000년 전에 훨씬 더 컸음을 의미한다. 그렇지 않았다면 식물은 이미 없어졌을 것이기 때문이다. 샤쿤은 퀘르카야에서의 발견은 현대의 빙하 후퇴 규모가 홀로세 변동의 한계를 넘어서고 있는지까지는 불분명하다고 말했다. 연구팀은 알래스카에서 티에라 델 푸에고에 이르기까지 아메리칸 코딜레라 산맥의 전체에 걸쳐 빙하에 동일한 기술을 적용해 탐사하고 있다. 팀은 작년에 북미에서의 샘플링 결과를 발표했으며 곧 남미 남부에서의 연구 결과도 발표할 계획이다. 결과물을 모두 모으면 현재의 빙하 후퇴에 대한 총체적인 판단을 내릴 수 있을 것이라는 기대다.
- 포커스온
2024-08-06

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