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2025-05-21 (수)

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[신소재 신기술(123)] NASA, 중력파 관측소용 프로토타입 망원경 공개

나사(NASA)가 블랙홀과 다른 우주적 근원이 합쳐지면서 발생하는 시공간 파장인 중력파를 우주에서 감지할 수 있는 6개의 실물 크기 프로토타입 우주 망원경을 홈페이지를 통해 공개했다. 우주 망원경은 향후 10년 동안 진행될 나사의 우주 미션 리사(LISA: Laser Interferometer Space Antenna) 임무에 사용될 계획이다. 망원경은 2개가 한 쌍을 이루어 우주선에 탑재된다. 중력파를 관측하는 차세대 리사 임무는 유럽우주국(ESA)과 나사가 협력해 진행하는 미션으로, 레이저를 사용해 태양보다 더 광대하게 분산된 3대의 우주선 사이의 정확한 거리를 측정해 중력파를 감지하는 것이다. 거리 측정은 피코미터 또는 1조 분의 1미터 수준의 정밀도로 이루어진다. 삼각형 배열의 각 면은 약 250만km를 측정한다. 미국 메릴랜드주의 나사 고다드 우주비행센터의 라이언 드로사 박사는 "각 우주선에 탑재된 쌍둥이 망원경은 적외선 레이저 빔을 송수신해 동료 우주선을 추적하며, 리사 임무에 쓰이는 6대의 망원경은 나사가 모두 공급한다. 엔지니어링 개발 망원경 유닛(Engineering Development Unit Telescope)이라는 이름의 이 프로토타입은 우주를 비행할 우주선 하드웨어를 제작하는 작업을 지원하게 된다. 뉴욕주 로체스터에 소재한 L3해리스테크놀로지(L3Harris Technologies)에서 제조 및 조립한 프로토타입 망원경은 지난 5월 고다드 센터에 도착했다. 망원경의 주 거울은 적외선 레이저를 매우 잘 반사하고, 차가운 공간에 노출된 상태에서 열 손실을 줄이기 위해 금으로 코팅됐다. 망원경은 실내 온도에 가까울 때 가장 잘 작동한다. 프로토타입 망원경은 모두 독일 마인츠에 소재한 쇼트(Schott)에서 제조한 호박색 유리 세라믹(Zerodur)으로 만들어졌다. 이 소재는 폭넓은 온도 범위에서 모양이 거의 변하지 않기 때문에 망원경 거울과 고정밀이 필요한 응용 분야에 널리 사용된다. 리사 임무는 2030년대 중반에 시작될 예정이다.
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2024-10-24 14:27:00
[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.
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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.
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2024-10-15 13:46:00
[신소재 신기술(120)] 염수 폐수를 콘크리트로 변환하는 혁신 기술 나왔다

핀란드의 오울루 대학교(University of Oulu) 연구진이 알칼리 활성화를 통해 농축 염수를 안정화해 콘크리트로 변환하는 새로운 처리 기술을 개발했다고 전문 매체 아조빌드가 전했다. 개발된 기술은 염수 폐수를 시멘트 바인더에 통합하는 혁신적 솔루션이라는 평가다. 이 연구 결과는 담수화(Desalination) 저널에 게재됐다. 연구 보고서에 따르면 광산 및 산업에서 나오는 염수 폐수를 결합, 광산 매립과 같은 다양한 용도에 사용할 수 있는 다른 유형의 시멘트 바인더를 만들 수 있다. 일종의 신소재 콘크리트인 셈이다. 이를 통해 매우 농축된 소금 용액을 고체 형태로 안전하게 결합, 비용을 절약하고 환경을 개선할 수 있다. 광업, 재가공 및 배터리 생산과 같은 여러 산업 분야에서는 일반적으로 나트륨, 황산염 및 염화물 등 세 가지 요소가 포함된 염수 폐수를 대량으로 생산한다. 이러한 분야는 녹색 친환경 및 디지털 전환이 특히 필요하다. 이러한 염 자체는 환경에 위험하거나 해롭지는 않다. 동일한 염분이 바닷물에도 널리 퍼져 있다. 그러나 발트해의 낮은 염도, 특히 내륙 담수에서는 생물군에 해로울 수 있다. 예를 들어, 지난 2012년 핀란드 광산업체 탈비바라(Talvivaara)의 광산 사고 이후 소금에 오염된 호수는 영구적으로 성층화돼 호수 바닥의 산소 결핍을 초래할 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 제안된 기술은 칼슘, 실리콘, 알루미늄이 풍부한 원료를 소금물 및 소량의 수산화나트륨과 결합한다. 결과적으로 콘크리트 바인더로 사용할 수 있는, 충분한 강도를 가진 페이스트가 생산된다. 농축 염수, 나트륨, 황산염 및 염화물의 주요 성분은 고체 구조에서 매우 잘 안정화되고 수용성을 잃는 것으로 밝혀졌다. 수용성을 잃는다는 것은 물에 녹지 않아 견고함을 유지한다는 의미다. 이 연구에서는 또한 알칼리 활성 페이스트의 강도가 염도가 높을수록 증가한다는 사실도 발견했다. 단점은 소금이 부식을 일으킬 수 있기 때문에, 이러한 종류의 콘크리트에는 표준 강철 보강재를 사용할 수 없다는 것이다. 염분에 강한 소재가 필요하다. 채취하고자 하는 금속이나 소재를 분리한 후 광산에 남아 있는 폐기물, 즉 광산 잔여물은 별도의 저장지로 옮겨진다. 이 잔여물에는 종종 알칼리 활성화에 필요한 원소인 칼슘, 실리콘, 알루미늄이 대량으로 포함되어 있다. 광산 잔여물은 콘크리트 및 건설 부문에서 점차 활용이 늘면서 인기를 얻고 있다. 신소재와 광산 수질 정화 연구를 진행하고 있는 오울루 대학교가 이번에 제시한 해법은 건설 부문에 새로운 바람을 일으킬 가능성이 높다고 한다. 한편 이번 연구는 유럽연합(EU)의 '차세대(NextGeneration) EU 프로그램'이 공동으로 자금을 지원하는 카이파(KaiPa) 프로젝트의 일부로 수행됐다.
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2024-10-14 14:32:00
[신소재 신기술(119)] 홍합에서 영감 얻은 접착 박테리아, 플라스틱 폐기물 분해 속도 높여

과학자들이 홍합의 자연적인 접착 특성을 활용해 플라스틱 폐기물 분해 속도를 높이고 있다는 희소식이 전해졌다. 미국 라이스 대학교 연구팀은 홍합의 접착력에서 영감을 얻어 플라스틱 표면에 강하게 달라붙는 미생물을 개발했다고 밝혔다. 이 미생물은 플라스틱 분해 효소와 결합하여 플라스틱 폐기물을 효율적으로 분해할 수 있는 가능성을 제시한다. 플라스틱 오염의 가장 큰 문제점은 자연적으로 분해되는 데 수 백년 이상 걸린다는 점이다. 또한 플라스틱은 완전히 분해되지 않고 미세 플라스틱이라는 작은 조각으로 분해된다. 이러한 미세 플라스틱은 토양과 바다를 오염시키고, 먹이 사슬을 통해 동물의 몸속에 축적된다. 결국 이러한 미세 플라스틱은 인간의 식탁까지 올라와 건강에 악영향을 미칠 수 있다. 연구팀은 유전자 코드 확장 기술을 이용해 박테리아 유전자 코드에 홍합의 접착 단백질에 존재하는 도파(DOPA· 3, 4-디하이드록시페닐알라닌)라는 아미노산을 도입했다. 이를 통해 박테리아는 플라스틱의 주요 성분인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 표면에 강하게 부착하고, PET를 분해하는 효소와 함께 작용해 플라스틱 분해 효율을 높였다. 미국은 매년 최대 4천만톤의 플라스틱 폐기물을 배출한다고 인터레스팅엔지니어링이 전했다. PET는 플라스틱의 한 종류로 이 폐기물의 약 64%를 차지한다. PET는 분해되기까지 수 세기가 걸릴 수 있다. 이번 연구를 이끈 화학, 생명과학 및 생명공학 한 샤오(Han Xiao) 부교수는 "이 기술은 플라스틱 오염 문제 해결에 큰 도움이 될 것"이라며 "유전자 코드 확장 기술이 재료 및 세포 공학 분야에서 혁신적인 도구가 될 수 있음을 보여준다"고 설명했다. 생물 부착 방지 기술 활용성 가능성 제시 연구팀은 이 기술이 플라스틱 오염 문제 해결뿐만 아니라 선박, 해양 구조물, 물 처리 시설 등에서 발생하는 생물 부착 문제 해결에도 활용될 수 있다고 밝혔다. 도파를 이용해 변형된 단백질은 다양한 표면에 보호막을 형성해 미생물의 부착을 막는 효과를 나타냈다. 연구팀은 이 기술이 의료 기기, 조직 공학, 약물 전달 등 다양한 생물 의학 분야에도 응용될 것으로 기대하고 있다. 이번 연구 결과는 재료 과학 분야 학술지 '스몰 메서드(Small Methods)'에 게재됐다.
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2024-10-10 15:38:00
[신소재 신기술(118)] 충격파를 눈으로 볼 수 있는 획기적인 고분자 기술

초음속 항공기에서 나는 소닉 붐과 유사한 충격파를 눈으로 볼 수 있는 획기적인 기술이 미국에서 개발됐다. 사진=픽사베이 파동의 한 종류인 충격파를 눈으로 볼 수 있는 획기적인 기술이 개발됐다. 미국 국립표준기술연구소(NIST), 서던 미시시피 대학교, 애리조나 주립대학교, 렌슬러 폴리테크닉 연구소, 그리고 미국 육군 공병대의 연구진들이 고속 충격 시 발생하는 충격파를 시각화할 수 있는 혁신적인 고분자(폴리머·Polymer) 소재를 개발했다고 NIST가 7일(현지시간) 발표했다. 이 획기적인 기술은 뇌 손상 연구, 첨단 제조, 우주 탐사 등 다양한 분야에서 소재가 에너지를 흡수하고 극한 환경에 반응하는 방식에 대한 이해를 혁신적으로 증진시킬 것으로 기대된다. 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재된 이 연구는 기계적 힘을 받으면 빛을 내는 분자 메카노포어(mechanophore)를 포함하는 고분자가 고속 발사체 충돌에 대한 반응을 시각적으로 기록하는 방법을 보여준다. 특히 이 메카노포어는 이전에는 접근이 불가능했던 소재 내부의 변형을 포착하는 데 성공했다. 연구진은 분자 수준의 반응과 첨단 이미징 기술을 결합해 초음속 항공기의 소닉붐과 유사하게 재료 내에서 음속보다 빠르게 이동하는 음향파인 마하 콘(Mach cone)의 형성을 시각화할 수 있었다. NIST 재료 과학 및 공학 부서의 연구원인 폴레트 센텔라스(Polette Centellas)는 "이 고분자는 충격중에 에너지가 재료를 통해 어떻게 이동하는지 '볼 수 있게' 해준다"며 "이는 우주선 차폐에서부터 첨단 보호 장비에 이르기까지 극한 조건을 더 잘 견딜 수 있는 재료를 설계할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다"고 말했다. 이 연구는 고분자에서 이전에 충분히 탐구되지 않았던 에너지 소산 메커니즘인 충격파 감쇠를 밝혀냈다. 전통적으로 재료의 에너지 흡수는 주로 재료가 구부러지거나 파손되는 소성 변형을 통해 발생한다고 여겨졌다. 그러나 이 연구는 고속 충격에서 충격파가 에너지 소산에 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다. 이번 발견은 고속 충격 관리가 중요한 국방에서 의료에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 내수성이 더욱 뛰어나고 강한 소재를 개발하는 데 혁신을 가져올 것으로 기대된다.
- IT/바이오
2024-10-08 16:05:00
[신소재 신기술(117)] 오징어에서 영감 받은 온도 조절 의류

기후 변화의 영향으로 계절의 경계가 모호해지면서, 옷차림에 대한 고민이 깊어지고 있다. 특히 간절기에는 일교차가 커서 옷을 선택하기가 쉽지 않다. 10월 초순의 서울만 하더라도 낮에는 섭씨 20도를 웃도는 온화한 날씨지만, 아침저녁으로는 10도 안팎의 쌀쌀함이 감돌아 옷 입기가 난감하다. 즉, 겉옷을 입고 있자니 덥고, 벗자니 춥다. 게다가 개인마다 추위나 더위를 느끼는 정도가 다르기 때문에, 모두를 만족시키는 의류 소재를 찾기란 더욱 어렵다. 일부 스포츠 의류나 기능성 이너웨어 브랜드에서 온도 조절 소재를 사용했다고 홍보하지만, 진정한 의미에서 개인의 열적 필요에 따라 능동적으로 온도를 조절하는 옷은 아직까지 존재하지 않았다. 그러나 최근 자연에서 영감을 얻은 혁신적인 기술이 개발돼 이러한 한계를 극복할 가능성을 제시했다. 미국 연구진이 오징어 피부에 착안해, 착용자의 체온에 따라 온도를 조절하는 혁신적인 의류 신소재를 개발한 것. 이는 단순한 온도 조절 기능을 넘어, 착용자 개개인의 열적 쾌적성을 극대화하는 '스마트 의류' 시대의 도래를 예고한다. 캘리포니아 대학교 어바인 캠퍼스(UCI) 연구팀은 오징어 피부의 색상 변화 메커니즘을 모방하여 통기성, 세탁성, 유연성을 갖춘 온도 조절 신소재를 개발했다고 밝혔다. 해당 내용에 대해서는 어스닷컴과 인터레스팅엔지니어링 등 다수 외신이 보도했다. 오징어 피부는 여러 층으로 구성되어 있으며, 각 층이 빛을 조작하여 색상과 패턴을 바꾼다. 연구팀은 이러한 원리를 이용하여 적외선 스펙트럼에서 작동하는 복합소재를 만들었다. 사람의 몸에서 열이 방출될 때 적외선 복사 형태로 방출되는 데, 이 신소재는 이러한 적외선 방출을 조절해 온도 조절 기능을 한다. 연구 저자인 알론 고로데츠키는 "오징어 피부는 빛을 조작하고 동물의 전체적인 색상과 무늬를 변화시키기 위해 함께 작동하는 여러 층으로 구성된 복잡한 구조"라고 설명했다. 그는 "일부 층에는 발색단이라는 기관이 있는데, 이 기관은(근육의 작용에 따라) 확장된 상태와 수축된 상태를 전환하여 피부가 가시광선을 투과하고 반사하는 방식을 변화시킨다"고 부연했다. 이 복합 소재는 폴리머로 코팅된 구리 섬(copper islands)으로 구성되어 있다. 이 소재는 열카메라가 작동하는 방식처럼 적외선 스펙트럼을 기반으로 작동한다. 소재를 늘리면 구리 섬들이 분리되면서 적외선 투과 및 반사율이 변화한다. 이를 통해 의류의 온도를 미세하게 조절할 수 있다. 이전 연구에서 연구팀은 복합 소재의 적외선 특성을 모델링했으며, 이번 연구에서는 세탁성, 통기성, 직물 통합성을 향상시켰다. 얇은 필름을 추가하여 세탁 내구성을 높였고, 구멍을 뚫어 면직물과 비슷한 통기성을 확보했다. 또한 메쉬 소재에 부착해 직물에 쉽게 통합될 수 있도록 했다. 연구팀은 "이 소재는 스키 재킷, 양말, 장갑, 모자 등 추운 날씨 의류에 적합할 것"이라며 "세탁 가능한 유기 전자 장치, 신축성 있는 전자 섬유, 에너지 수확 마찰 전기 소재 등 다양한 웨어러블 기술에도 활용될 수 있을 것"이라고 기대했다. 이번 연구 결과는 APL 바이오엔지니어링 저널에 게재됐다.
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2024-10-07 17:15:00
[신소재 신기술(116)] 양자 실험으로 '음의 시간' 증거 발견

과학자들이 양자 실험을 통해 '음의 시간' 증거를 발견했다. 캐나다 토론토 대학의 연구팀이 광자가 원자를 통과하는 과정에서 '음의 시간' 현상을 보이는 것을 관찰했다고 밝혔다고 IFL사이언스와 퓨처리즘 등 다수 외신이 전했다. 아직 동료 평가를 거치지 않은 이 연구는 과학 전문 매체 '사이언티픽 아메리칸'에 소개되며 학계의 주목을 받고 있다. 음의 시간은 시간이 마치 거꾸로 흐르는 것처럼 보이는 현상을 말한다. 시간은 일반적으로 과거에서 현재, 미래로 흐른다고 여겨진다. 하지만 양자역학의 세게에서는 시간이 마치 뒤로 가는 것처럼 보이는 현상이 나타날 수 있다. 이것을 '음의 시간' 또는 '시간 역행'이라고 부른다. 연구팀은 광자 펄스를 절대 영도에 가까운 온도의 원자 구름에 발사하는 실험을 진행했다. 그 결과, 광자가 원자에 흡수되지 않고 통과할 때에도 원자는 마치 광자를 흡수한 것처럼 일정 시간 동안 들뜬 상태를 유지하는 현상이 관찰됐다. 반대로 광자가 원자에 흡수된 경우에는 원자가 들뜬 상태에서 바닥 상태로 돌아가기 전에 광자가 다시 방출되는 현상이 나타났다. 이는 광자가 원자를 들뜨게 할 때, 즉 흡수될 때, 원자에 영향을 주지 않고 통과할 때보다 더 빠르게 원자 구름을 통과한다는 것을 의미한다. 연구팀은 이러한 현상을 '음의 시간 지연'이라고 설명하며, 양자역학적 불확정성과 중첩 현상으로 인해 발생한다고 분석했다. 즉, 광자와 같은 양자 입자는 동시에 두 가지 상태로 존재할 수 있으며, 이로 인해 측정 결과는 양수와 음수 값 모두를 가질 수 있다는 것이다. 이 연구는 시간에 대한 우리의 이해를 바꾸는 것은 아니지만, 광학 분야에서 음의 시간이 광자 전송과 관련하여 "일반적으로 인식되어 온 것보다 더 큰 물리적 의미를 가진다"는 것을 시사한다. 하지만 일부 전문가들은 이 연구 결과에 대해 신중한 입장을 보이며, 추가적인 연구를 통해 검증이 필요하다고 지적했다.
- IT/바이오
2024-10-04 11:10:00
[신소재 신기술(115)] 뺨 세포로 사망 위험 예측하는 '후생유전학 시계' 개발

노화로 인한 사망 시기를 미리 예측하는 새로운 후생유전학 시계가 개발됐다. 뺨 안쪽을 면봉으로 긁어서 검사하는 아주 간단한 방법이다. 미국 연구팀이 뺨 세포의 DNA 메틸화를 분석해 사망 위험을 예측하는 2세대 후생유전학 시계 '치크에이지(CheekAge)'를 개발했다고 메디컬 익스프레스와 뉴로사이언스뉴스닷컴이 전했다. 사람의 노화 속도는 유전적 요인, 생활 습관, 환경 등 다양한 요인에 의해 영향을 받는다. 이러한 요인들은 후생유전학적 표시로 DNA에 기록되는데, 치크에이지는 이를 분석해 생물학적 나이를 측정하고 사망 위험을 예측한다. 기존의 후생유전학 시계는 주로 혈액 세포를 이용했지만, 이번 연구에서는 뺨 안쪽 세포를 사용해 검체 채취의 편의성을 높였다. 치크에이지는 약 20만 개 부위의 메틸화 비율을 건강 및 라이프스타일에 대한 전반적인 점수와 연관시켜 생리적 노화의 추정 차이를 반영하여 개발 또는 '훈련'됐다. 연구팀은 1921년과 1936년에 태어난 1513명의 남녀를 대상으로 치크에이지 정확도를 측정했다. 팀은 통계적 프로그래밍을 시용해 영국 에든버러 대학교의 로디언 출생 코호트(LBC) 프로그램을 통해 이들 남녀의 평생을 추적해 치크에이지가 모든 원인으로 인한 사망률을 얼마나 잘 예측하는지 살펴보았다. 그 결과 치크에이지는 혈액 세포에서 측정한 메틸롬 데이터를 사용하더라도 사망 위험을 정확하게 예측하는 것으로 나타났다. 치크에이지 값이 1 표준편차 증가할 때마다 모든 원인으로 인한 사망 위험은 21% 증가했다. 이 새로운 도구는 노화를 모니터링하고 잠재적으로 연령 관련 질병을 추적하는 간단하고 효과적인 방법을 제공할 수 있다. 연구의 제1저자이자 뉴욕에 있는 톨리 헬스(Tally Health)의 전산 생물학 및 데이터 과학 책임자인 막심 쇼히레프(Maxim Shokhirev) 박사는 "우리는 또한 특정 메틸화 부위가 이러한 상관관계에 특히 중요하다는 것을 입증하여 특정 유전자 및 과정과 우리 시계가 포착한 인간 사망률 사이의 잠재적 연관성을 밝혀냈다"고 말했다. 연구팀은 치크에이지가 사망 위험과 관련된 특정 DNA 메틸화 부위를 밝혀냈으며, 이는 특정 유전자와 노화 과정 사이의 연관성을 이해하는 데 도움을 줄 수 있다고 설명했다. 특히 종양억제 유전자인 PDZRN4, 동물 모델에서 암과 심장 건강과 관련있는 ALPK2와 같은 유전자는 암, 골다공증, 염증, 대사 증후군 등 노화 관련 질병과 연관성이 있는 것으로 나타났다. 연구의 마지막 저자이자 톨리 헬스의 과학 업무 및 교육 책임자인 아디브 존슨(Adive Jonhson) 박사는 "동물 모델에서 ALPK2와 같은 유전자가 수명이나 건강에 영향을 미치는 지 확인하는 것은 흥미로울 것"이라고 말했다. 연구팀은 향후 치크에이지를 활용해 다양한 노화 관련 질병 발생률, 건강 수명 등을 예측하는 연구를 진행할 계획이다. 해당 연구 결과는 국제 학술지 '프온티어스 인 에이징(Frontiers in Aging)'에 발표됐다.
- IT/바이오
2024-10-02 15:08:00
[신소재 신기술(114)] 상어 장 모방한 3D 프린팅 파이프, 역류 없는 액체 흐름 구현

미국 과학자들이 상어의 소화기관에서 영감을 얻어 한 방향으로만 흐르는 파이프를 3D 프린팅 기술로 제작했다. 워싱턴대학교(UW) 연구팀은 상어의 나선형 장 구조를 모방해 3D 프린팅 기술로 '한 방향 흐름 파이프'를 개발했다고 과학 전문매체 뉴아틀라스가 전했다. 이 파이프는 액체가 역류하지 않고 한 방향으로만 흐르도록 설계되어, 상어의 소화기관처럼 효율적인 물질 이동을 가능하게 한다. 인간의 장은 속이 빈 튜브에 불과하지만 상어의 장은 아래쪽 부분에 나선형 판막이라는 것이 있다. 이 나선형 판막은 비교적 짧고 굵은 장의 일부로, 내부에 일종의 코르크 마개와 같은 나선형 구조가 있다. 이 구조는 음식물의 이동 속도를 늦추고 표면적을 넓혀 영양분 흡수 효율을 높이는 역할을 한다. 또한 나선형 장의 구조는 음식물의 역류를 방지하는 데도 도움이 된다. 연구팀은 다양한 형태의 나선형 구조를 가진 파이프를 제작하고 실험을 통해 최적의 구조를 찾아냈다. 그 결과 개발된 파이프는 기존의 무빙 파트가 없는 한 방향 흐름 장치인 태슬라 밸브보다 뛰어난 성능을 보였다. 테슬라 밸브(Tesla Valve)는 니콜라 테슬라가 1920년에 발명한 특수한 형태의 유체 흐름 제어 장치다. 움직이는 부품 없이 유체의 흐름을 제어하는 것이 특징이다. 여러 개의 물방울 모양 루프가 파이프 내부에 배열되어 유체가 순 방향으로 흘르 때는 루프를 따라 부드럽게 통ㅎ과하지만, 약방향으로 흐르려고 하면 루프에 의해 와류가 발생하고 흐름이 저항을 받아 통과가 어려워진다. 특히 부드러운 소재로 제작된 이 파이프는 테슬라 밸브보다 최소 7배 이상 효율적인 흐름을 보였다. 그러나 연구팀은 파이프가 상어의 장 조직보다 100배나 더 단단해 앞으로 개선의 여지가 있다고 밝혔다. 이번 연구는 부드럽고 강하며 프린팅 가능한 폴리머 개발에 대한 화학자들의 동기를 더욱 강화할 것으로 기대된다. 이러한 폴리머는 공학, 의학 등 다양한 분야에서 유체 흐름 제어에 활용될 수 있을 것으로 전망된다. 이번 연구 결과는 미국 국립학회보(PNAS)에 게재됐다.
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2024-09-27 16:48:00
[신소재 신기술(113)] 美 조지아 공대, 리튬이온배터리 획기적 개선 음극재 개발

전기자동차(EV) 시장의 케즘(chasm·일시적 수요 정체) 극복 방안의 하나로 '차세대 배터리'가 거론되는 가운데 미국에서 새로운 음극 소재가 개발됐다. 조지아 공과대학은 홈페이지를 통해 하이롱 첸(Hailong Chen) 교수가 이끄는 다기관 연구팀은 리튬이온배터리(LIBs)를 획기적으로 개선할 수 있는 저렴한 새로운 음극 소재를 개발했다고 밝혔다. 이는 전기자동차 시장과 대규모 에너지 저장 시스템을 변화시킬 가능성이 있다. 조지아공대 우드러프 기계공학부 및 재료과학·공학부 하이롱 첸 부교수는 "오랫동안 사람들은 기존 음극재보다 저렴하고 지속 가능한 대안을 찾고 있었다. 우리가 그걸 찾은 것 같다"고 말했다. 연구팀에 따르면 획기적인 소재인 삼염화철(FeCl3)은 일반적인 음극재 비용의 1~2%에 불과하지만 동일한 양의 전기를 저장할 수 있다. 음극재는 용량, 에너지 및 효율성에 영향을 미치며 배터리 성능과 수명, 경제성에 중요한 역할을 한다. 첸 교수는 "우리 음극재는 게임 체인저가 될 수 있다"며 "이는 전기차 시장 뿐만 아니라 전체 리튬 이온 배터리 시장을 크게 개선할 것"이라고 말했다. 연구 결과는 학술지 네이처 서스테너빌리티(Nature Sustainability)에 게재됐다. 1990년대 초 소니에 의해 처음 상용화된 리튬이온배터리(LIB)는 스마트폰이나 테블릿과 같은 개인용 전자제품의 폭발적인 성장을 촉발했다. 이 기술은 결국 전기자동차에 동력을 공급하는 신뢰할 수 있고 충전 가능한 고밀도 에너지원으로 발전했다. 그러나 개인용 전자 제품과 달리 전기차와 같은 대규모 에너지 사용자는 LIB 비용에 특히 민감하다. 현재 배터리는 전기차 총 비용의 50%를 차지하며, 이로 인해 이러한 청정 에너지 자동차는 내연 기관 자동차보다 더 비싸다. 더 나은 배터리 구축 구식 알카라인 배터리와 납축 배터리에 비해 리튬이온배터리는 더 작은 패키지에 더 많은 에너지를 저장하고 충전 장치에 더 오래 전원을 공급한다. 그러나 리튬이온배터리에는 코발트나 니켈과 같은 희귀 속이 포함되어 있으며 제조 비용이 높다. 지금까지 LIB용으로 네 가지 유형의 음극만 성공적으로 상용화됐다. 기존 LIB는 액체 전해질을 사용하여 에너지 저장 및 방출을 위한 리튬 이온을 운반한다. 저장할 수 있는 에너지 양에는 엄격한 제한이 있으며 누출 및 화재가 발생할 수 있다. 그러나 모든 고체리튬이온배터리는 고체 전해질을 사용하여 배터리 효율성과 안정성을 크게 높이고 더 안전하게 더 많은 에너지를 저장할 수 있도록 한다. 아직 개발 및 테스트 단계에 있는 이러한 배터리는 상당한 개선이 될 것이다. 연구팀이 개발한 FeCl3 음극, 고체 전해질 및 리튬 금속 양극을 사용하면 전체 배터리 시스템 비용이 현재 LIB의 30-40%에 불과하다. 첸 교수는 "이는 전기차를 내연 기관 자동차보다 훨씬 저렴하게 만들뿐만 아니라 새롭고 유망한 형태의 대규모 에너지 저장 장치를 제공해 전력망의 복원력을 향상시킨다"고 말했다. 이어 "또한 우리가 개발한 음극은 전기차 시장의 지속 가능성과 공급망 안정을 크게 향상시킬 것"이라고 기대했다. 음극재로 염화철(FeCl3) 주목 음극재로서의 FeCl3에 대한 첸의 관심은 고체 전해질 재료 연구에서 시작됐다. 그의 연구실은 2019년부터 기존 상용 산화물 기반 음극을 사용해 고체 배터리를 만들려고 시도했다. 결과는 좋지 않았다. 음극과 전해질 재료가 잘 맞지 않았던 것. 연구원들은 염화물 기반 음극이 염화물 전해질과 더 나은 쌍을 이루어 더 나은 배터리 성능을 제공할 수 있다는 점에 착안했다. 첸 교수는 "우리는 시도해볼 가치가 있는 후보(FeCl3)를 찾았다. 결정구조가 리튬이온 저장 및 운송에 잠재적으로 적합했기 때문이다"라고 설명했다. 현재 전기차에서 가장 많이 사용되는 음극은 산화물이며 엄청난 양의 값비싼 니켈과 코발트가 필요하다. 이는 독성이 있을 수 있으며 환경 문제를 야기할 수 있는 중금속이다. 이와 대조적으로 연구팀이 개발한 새로운 음극에는 철(Fe)과 염소(Cl)만 포함되어 있다. 이는 강철과 식용 소금에서 발견되는 풍부하고 저렴하며 널리 사용되는 원소들이다. 초기 테스트에서 FeCl3는 다른 훨씬 더 비싼 음극만큼 또는 더 나은 성능을 발휘하는 것으로 나타났다. 예를 들어 널리 사용되는 음극 리튬철인산염(LiFePO4, LIF)보다 작동 전압이 더 높다. 작동 전압은 배터리가 장치에 연결될 때 제공하는 전기력으로 정원에서 사용하는 호스의 수압과 유사하다. 연구팀은 이 기술이 5년 이내에 전기차에서 상업적으로 실행 가능할 수 있을 것으로 기대했다. 첸은 현재로서는 연구팀이 FeCl3와 관련 소재를 계속 연구할 것이라고 말했다. ◇ 참고: Zhantao Liu, Jue Liu, Simin Zhao, Sangni Xun, Paul Byaruhanga, Shuo Chen, Yuanzhi Tang, Ting Zhu, Hailong Chen. 「모든 고체 리튬 이온 배터리를 위한 저비용 삼염화철 음극」 Nature Sustainability.
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2024-09-25 16:06:00
[신소재 신기술(112)] AI 혁신, 농업 현장에…오렌지 수확 로봇 개발 성공

이스라엘 농업 기술 스타트업 나노벨(Nanovel)이 과수원 등 농장의 과실수에서 과일을 따낼 수 있는 새로운 인공지능(AI) 기반 자율 로봇을 제작, 공개했다고 지역 매체 노카멜스가 전했다. 비용 대비 효과가 좋거나 한국과 같은 과수원 환경에서 적용할 수 있다면, 인건비 등으로 인해 천정부지로 치솟고 있는 과일값 안정에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 나노벨은 이 로봇이 농장의 노동력 부족과 급증하는 생산 비용에 대한 전 세계적 솔루션을 제공할 것이라고 자신했다. 노동력과 생산비라는 두 가지 큰 난제는 미국 애리조나, 캘리포니아, 콜로라도, 뉴멕시코의 농장주들과 협력하는 '웨스턴 그로워스(Western Growers)' 조직의 조사를 통해 해결될 수 있는 것으로 확인됐다고 한다. 나노벨에 따르면 이 로봇은 첨단 엣지 컴퓨팅과 AI 기반 데이터 분석을 기반으로 하고 있다. 이를 통해 높은 수준의 기술적 복잡성을 요구하는 '오렌지 수확'에 성공했다. 울창한 잎사귀 사이에서 오렌지를 선별해 따낸 것이다. 회사는 이 로봇이 세계 최초의 과일 자율 수확 시스템이라고 밝혔다. 개발된 오렌지 수확 로봇은 다중 암(팔) 플랫폼으로 구성되어 있으며 지금은 트랙터로 움직인다. 그러나 회사가 계획하는 차세대 로봇 시스템은 내부 구동 장치와 자율주행 시스템을 갖추게 될 것으로 알려졌다. 망원렌즈 구실도 겸하는 암에는 엣지 컴퓨팅, 첨단 비전 시스템 및 AI가 장착돼 시장 품질 기준을 충족하는 정밀도로 과일을 식별, 평가 및 선택적으로 수확한다. 각 암에는 과일을 고정하는 특허받은 진공 그리퍼(과일을 잡는 손의 기능)와 손상 없이 줄기를 다듬는 커터가 있다. 첫 번째 단계에서 로봇은 오렌지를 수확하고 나중에 다른 감귤류로 확장할 예정이며, 회사의 장기 계획은 레몬, 자몽, 아보카도, 망고, 복숭아, 천도복숭아 수확 로봇으로의 전개다. 나노벨 설립자 겸 CEO인 아이작 매조는 "나노벨의 사명은 자율 수확을 통해 신선한 과일의 가격을 확보하는 것"이라고 말했다. 메조는 "목표는 나노벨의 솔루션을 글로벌 감귤류 시장, 특히 미국과 스페인, 이탈리아와 같은 남유럽 국가에 공급하는 것이다. 우리는 신선한 시장 기준에 맞춘 과실 수확의 새로운 글로벌 표준을 만들고 재배자에게 높은 품질과 경제적 실행 가능성을 보장할 것"이라고 밝혔다.
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2024-09-23 13:27:00
[신소재 신기술(111)] 휴스턴 공대 개발 웨어러블 센서, 눈 움직임으로 뇌손상 진단

휴스턴 대학교(HU) 공학팀이 눈의 움직임을 검사해 뇌 질환이나 뇌 손상을 진단하는 웨어러블 센서를 개발했다고 메디컬익스프레스가 전했다. 많은 뇌 질환은 종종 다른 증상이 발현되기 전에 눈 이상으로 나타난다. 눈은 시인들의 표현과 같이 단순히 '영혼을 들여다보는 창'만은 아니다. 인간의 생활을 위해 가장 필요하고 소중한 눈은 또한 뇌의 연장선이며, 뇌 관련 질환의 조기 경고 신호와 그 원인에 대한 정보를 제공할 수 있다. 눈을 검사하면 뇌에 가해지는 신체적, 정신적 충격의 진행과 증상을 추적하는 데 도움이 될 수도 있다. 연구진은 현재의 시선 추적 시스템에는 결함이 있으며, 충분한 양의 데이터를 제공하지 못한다고 지적했다. 게다가 얼굴과 목에 여러 개의 전극이 부착돼 부피가 크고 비싸며 출력이 약하다. 기계공학과 류재현 교수의 UH 연구실에서 박사 후(포스트 닥터) 연구원인 김남인 박사의 도움을 받아 개발한 이 새로운 센서는 비침습적이고 편안하게 착용할 수 있으며 안전하다. 따라서 휴대용 디스플레이 및 컴퓨팅 장치와 결합하면 안구 움직임을 쉽게 지속적으로 측정하고 관찰할 수 있다. 개발된 센서는 특히 매끈하고 유연하며, 구부러지거나 움직일 때 전기를 생성하는 매우 얇은 수정과 같은 필름으로 만들어졌다. 이는 '압전 효과'라는 현상이며, 특정 물질이 적용된 기계적 응력에 반응하여 전하를 생성할 수 있다. 관자놀이 부위에 있는 상단, 중간 및 하단 센서 또는 변환기의 출력 전압은 식별 가능한 전압 패턴을 생성한다. 류 교수는 연구 결과가 실린 국제 학술지 '어드밴스드 헬스케어 머티리얼스(Advanced Healthcare Materials)'에서 "활력 징후 및 생체 의학 매개변수를 관찰하기 위한 피부 부착형 웨어러블 센서는 개인 건강관리 및 휴대용 진단 시스템에서 매우 중요한 구성 요소"라고 보고했다. 이어 "그 중에서도 박막 압전 센서는 저렴한 비용으로 쉽게 제작할 수 있고, 다양한 크기, 경량, 뛰어난 기계적 유연성과 안정성, 빠른 반응 속도, 높은 감도, 높은 신호 대 잡음비, 우수한 장기 안정성과 내구성이라는 고유한 장점을 제공한다"라고 강조했다. 류 교수는 "새로운 센서는 착용하기 쉽고 뇌-눈 관계 연구에 사용해 뇌의 기능적 무결성을 평가할 수 있다"라고 부연했다. 눈 깜박임 패턴에 대한 안과적 평가는 뇌졸중, 다발성 경화증, 파킨슨병 및 알츠하이머병과 같은 질환의 조기 진단에 사용되었다. 또한 안구와 윗 눈꺼풀 조절은 뇌 기능에 영향을 받기 때문에 눈의 움직임은 다양한 뇌 질환과 밀접하게 연관되어 있다. 이전 연구에서는 주의력 결핍 과잉 행동 장애가 있는 어린이의 비정상적인 눈 깜박임 속도와 깜박임 조절을 측정했으며, 자발적인 깜박임은 뇌의 도파민 시스템의 무결성을 측정하는 척도였다. 눈 및 눈의 근육과 관련된 뇌의 운동 뉴런도 자폐증과 관련이 있다. 류 교수는 "우리가 새로 개발한 '유연한 압전 눈 움직임 센서 어레이(F-PEMSA: flexible piezoelectric eye movement sensor array)'가 ADHD(주의력결핍 과다행동장애), 자폐증, 알츠하이머병, 파킨슨병과 같은 뇌 질환 상태뿐만 아니라 뇌진탕 후 증후군 및 외상 후 스트레스 장애와 같은 외상성 뇌 손상의 후유증에 관한 많은 임상 연구에 사용될 수 있다고 생각한다. 잠재적으로 조기에 정확한 진단과 개인화된 치료법의 개발 방향을 제시할 수 있다고 믿는다"고 말했다.
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2024-09-20 14:25:00
[신소재 신기술(110)] 캐나다 연구진, 햇빛 이용해 온실가스를 '유용한 화학물질'로 전환

햇빛을 활용해 유해한 온실 가스인 메탄과 이산화탄소를 상온에서도 유용한 화학물질로 전환하는 기술이 개발됐다. 캐나다 맥길 대학교 연구팀이 햇빛을 이용해 온실가스인 메탄과 이산화탄소를 유용한 화학물질인 '녹색 메탄올'과 '일산화탄소'로 전환하는 혁신적인 기술을 개발했다고 사이테크데일리가 전했다. 이 기술은 기후변화 문제 해결과 지속 가능한 산업 발전에 기여할 것으로 기대된다. 연구팀은 금, 팔라듐, 질화갈륨, 혼합물을 촉매로 사용해 햇빛에 노출시키면 이산화탄소의 산소 원자가 메탄 분자에 결합하여 '녹색 메탄올'을 생성하는 반응을 유도했다. 이 과정에서 부산물로 일산화탄소로 생성된다. 녹색 메탄올은 재생 가능한 에너지원이나 바이오매스를 활용하여 생산되는 친환경 메탄올이다. 일반적인 메탄올은 화석 연료를 통해 생산되는데, 이 과정에서 많은 양의 온실 가스가 배출된다. 반면, 녹색 메탄올은 탄소 배출을 최소화하거나 아예 배출하지 않는 방식으로 생산되기 때문에 탄소 중립을 위한 중요한 에너지원으로 주목받고 있다. 녹색 메탄올은 선박이나 자동차의 연료로 사용가능하며, 기존 화석 연료보다 탄소 배출량이 적다. 또한 플라스틱이나 합성 섬유 등 다양한 화학제품의 원료로 사용된다. 게다가 수소보다 안전하고 쉽게 저장하고 운송할 수 있어 에너지 저장 매체로도 활용될 수 있다. 맥길 화학과 박사후 연구원 후이 수(Hui Su)는 "자동차에서 나오는 배기가스나 공장에서 나오는 배출물이 햇빛의 도움으로 차량용 청정 연료, 일상적인 플라스틱의 구성 요소, 배터리에 저장된 에너지로 전환되는 상상을 해보자"며 "이것이 바로 새로운 화학 공정이 가능하게 하는 변화의 종류"라고 말했다. 연구팀의 새로운 빛 기반 화학 공정은 상온에서 한 번의 반응으로 메탄과 이산화탄소를 녹색 메탄올과 일산화탄소로 전환한다. 팀은 전환된 두 가지 모두 화학 및 에너지 분야에서 높은 가치를 지닌다고 말했다. 연구를 이끈 차오준 리 교수는 "풍부한 태양 에너지를 활용하여 두 가지 온실 가스를 유용한 제품으로 재활용할 수 있다. 이 과정은 상온에서 진행되며 다른 화학 반응에서 사용되는 고온이나 유해 화학 물질이 필요하지 않다"고 설명했다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 게재됐다. 맥길 대학교 연구팀은 이 기술이 탄소 중립 목표 달성과 환경 문제를 지속 가능한 미래를 위한 기회로 전환하는데 기여할 것이라고 전망했다.
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2024-09-19 16:13:00
[신소재 신기술(109)] 나노실크 기반 여과 소재, 물속 화학물질과 중금속 제거 효과

화학 물질에 의한 물 오염은 전 세계적으로 빠르게 확산되고 있는 심각한 문제다. 미국 질병통제예방센터(CDC)의 최근 연구에 따르면, 검사를 받은 사람의 98%가 혈류에서 '영원한 화학 물질'이라고 알려진 화합물 계열인 과불화화합물(PFAS)이 검출됐다. 이런 화학 물질과 중금속을 여과하는 효과가 큰 소재가 MIT 연구팀에 의해 개발됐다고 MIT 공식 홈페이지가 발표했다. 게시글에 따르면 연구팀이 개발한 여과 소재는 화학이나 중금속 오염에 대한 자연 기반 솔루션을 제공할 수 있다고 한다. 상수도 필터로의 우선 활용이 예상된다는 기대다. 이 소재는 천연 실크와 셀룰로오스를 기반으로 하고 있으며, 지속성 화학 물질과 중금속을 광범위하게 제거할 수 있다. 나아가 항균 특성도 강해 필터가 오염되는 것을 방지하는 데 도움이 된다. PFAS 화학 물질은 화장품, 식품 포장, 방수 의류 소재, 소방용 거품, 조리도구용 코팅제 등 제품에 광범위하게 사용돼 오염을 일으킨다. 미국에서만 이 화학 물질로 오염된 5만 7000곳이 확인됐다. 미국 환경보호국(EPA)은 PFAS를 1조 분의 7 미만으로 제한하도록 규제하는 새로운 규정을 마련했으며, 이를 준수하기 위한 PFAS 정화에는 연간 15억 달러가 소요될 것으로 추정한다. 연구팀은 "PFAS 및 유사 화합물에 의한 오염은 실질적인 위협으로, 이번에 개발한 솔루션은 이를 효율적, 경제적으로 해결할 수 있다"라며 "연구팀이 단백질과 셀룰로오스 기반의 소재를 개발한 근본적인 이유"라고 설명했다. 이 연구는 우연히 이루어졌다. 초기 여과 소재 기술은 PFAS 제거와 전혀 관련 없는 목적을 위해 개발됐다. 당초에는 낮은 품질의 위조 종자 확산을 막기 위한 라벨링 시스템을 만드는 용도로 만들어졌다. 연구팀은 실온에서 환경친화적인 물 기반 드롭 캐스팅 방법을 통해 실크 단백질을 균일한 나노스케일 결정 또는 나노섬유로 가공하는 방법을 고안했다. 연구팀은 새로운 나노섬유 재료가 오염 물질을 걸러내는 데도 효과적일 것이라고 보았지만, 초기 시도에서는 효과를 보지 못했다. 그런데 여기에 셀룰로오스를 추가함으로써 해법을 찾아냈다. 팀은 얇은 막으로 형성될 수 있는 실크 기반 섬유에 셀룰로오스를 통합한 다음 셀룰로오스의 전하를 조정해 화학 물질과 중금속 오염 물질을 제거하는 데 매우 효과적인 재료를 생산하는 데 성공했다. 실험 결과 셀룰로오스의 전하는 강력한 항균 특성을 나타냈다. 이는 여과 필터의 주요 고장 원인 중 하나가 박테리아와 곰팡이에 의한 오염이라는 점에서 의미있는 발견이었다. 필터의 항균 특성이 오염 문제를 크게 줄일 수 있게 된 것이다. 실험실 테스트에서 이 여과 재료는 현재 사용되는 일반 재료인 활성탄 또는 과립 활성탄보다 물에서 훨씬 더 많은 오염 물질을 추출해 제거했다. 연구팀은 앞으로 원료의 내구성과 가용성을 개선하는 작업을 이어갈 계획이다. 연구에 활용된 실크 단백질은 실크 섬유 산업의 부산물로 이용할 수 있지만, 소재를 물 여과로 확장하면 공급이 부족할 수 있다. 대체 단백질 소재가 더 낮은 비용으로 같은 기능을 수행할 수도 있을 것이라는 기대다. 연구팀은 이 여과 소재가 주방 수도꼭지에 부착하는 필터로 우선 사용될 가능성이 높다고 말했다. 향후에는 거대 상수도 시설에서의 여과 용도로 확장될 것으로 예상했다. 물론 이는 오염 물질을 확실히 걸러준다는 사실이 입증된 후에 가능한 일이다. 연구팀은 이 소재의 큰 장점이 식품 성분이기 때문에 오염이 발생할 가능성은 매우 낮다고 자신했다. 한편 이 연구는 미국 해군연구소, 미국 국립과학재단, 싱가포르-MIT 연구기술연합의 지원을 받았다.
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2024-09-12 07:32:00
[신소재 신기술(108)]국제우주정거장서 '금속 3D 프린팅' 첫 성공

유럽우주국(ESA)이 국제우주정거장(ISS)에서 금속 3D 프린터로 부품을 제작하는 데 성공했다. 이는 우주 공간에서 금속 3D 프린팅 기술을 활용한 최초의 사례로, 미래 우주 탐사에 새로운 가능성을 제시했다. ESA는 에어버스와 협력하여 개발한 '금속 3D 프린팅 기술 시연기'를 올해 초 ISS에 발사했다. ESA 우주비행사 안드레아스 모겐센은 이 장비를 ESA 콜럼버스 모듈에 설치했고, 지난 8월, 마침내 우주에서 최초의 3D 금속 형상을 성공적으로 인쇄했다. 미국과 러시아, 유럽연합(EU) 등이 참여한 닥구적 우주 정거장인 국제우주정거장은 1998년 건설이 시작됐으며, 지구 상공에서 400km 떨어진 저궤도를 돌고 있다. 이번 성공은 기존 ISS에서 플라스틱 3D 프린터만 사용되었던 것과 비교하면 획기적인 발전이다. 3D 금속 프린팅 기술은 무중력 상태에서도 필요한 부품을 즉시 제작하고 장비를 수리할 수 있게 해, 장기 우주 탐사 임무의 자율성을 높이는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 일반적으로 3D 금속 프린터는 금속 합금 분말을 바닥에 깔고 전자빔이나 레이저로 디지털 파일에 기반한 패턴을 소결하는 방식으로 작동한다. 무중력 상태에서 금속을 녹이는 것도 문제지만, 금속 가루를 다루는 것은 위험할 뿐만 아니라 완전히 비현실적이다. 에어버스와 영국 크랜필드 대학이 개발한 금속 3D 프린터는 플라스틱 프린터를 모방해 이 문제를 해결했다. 스테인리스 스틸 와이어를 워크헤드에 공급하고 레이저로 그 자리에서 녹인 다음, 녹은 강철이 즉시 냉각되고, 굳어지도록했다. 안전성을 높이기 위해 전체 작업은 밀폐된 금속 상자에서 원격으로 수행됐ESA에 따르면 이 프린터는 지난 8월 4개의 테스트 형상 중 첫번째 형상을 완성했다. 이에 대해 과학 전문 매체 뉴아틀라스는 "외관상으로는 크게 칭찬할 수준은 아니었다"며 "사실 다소 투박하지만 이 프린터는 승무원이 예비 부품이나 득수 장비를 직접 제작할 수 있도록 함으로써 미래의 임무가 지구로부터 더 독립적으로 수행되는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 보여주는 기술 시연기"라고 전했다. 이번에 제작된 금속 부품은 품질 분석을 위해 다른 3가지 샘플과 함께 지구로 반환될 예정이다. 샘플 중 2개는 네덜란드에 있는 ESA의 기술 심장부(ESTEC)로, 다른 1개는 쾰른에 있는 우주비행사 훈련 센터(EAC)로 보내져 LUNA 시설에 사용되고, 나머지 1개는 덴마크 공과대학교(DTU) 등으로 보내져 추가 연구에 활용될 계획이다. ESA의 인간 및 로봇 탐사 책임자인 다니엘 노이엔슈반더는 "우주에서 최초의 금속 3D 형상을 프린팅한 것은 우주 탐사에 있어 중요한 이정표"라며, "국제적이고 다양한 분야의 팀이 이루어낸 이 성과는 장거리 및 장기 임무에서 필요한 부품을 현장에서 제작할 수 있는 가능성을 열었다"고 평가했다.
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2024-09-11 10:42:00
[신소재 신기술(107)] AI 모델 활용한 대규모 지진 예측⋯윤리적 문제는 숙제

과학자들이 인공지능(AI) 모델 기술을 활용해 지진 사전 예측 가능성을 제시했다. 알래스카 페어뱅크스 대학(UAF) 연구팀이 AI 기계 학습을 활용해 조기 징후를 감지해 대규모 지진 발생 몇 달 전에 예측할 수 있다는 연구 결과를 발표했다고 사이테크데일리가 7일(현지시간) 전했다. 연구팀은 알래스카와 캘리포니아에서 발생했던 두 차례의 대규모 지진 사례를 분석, 지진 발생전 광범위한 지역에서 발생하는 미세한 지각 활동을 감지해 며칠에서 몇 달전 지진 발생 가능성을 예측할 수 있음을 시사했다. 팀은 기계 학습 기반 탐지 방법을 개발하고, 컴퓨터 알고리즘을 통해 데이터에서 비정상적인 지진 활동을 탐색했다. 특히 2018년 11월 일어난 규모 7.1 강도의 앵커리지 지진과 2019년 규모 6.4~7.1의 캘리포니아 릿지크레스트 지진 발생 전 약 3개월동안 해당 지역의 15~25%에 걸쳐 비정상적인 저강도 지진이 발생했음을 확인했다. 이를 바탕으로 앵커리지 지진 발생 3개월 전부터 30일 이내에 대규모 지진이 발생한 확률이 최대 80%까지 급증했으며, 릿지크레스트 지진 발생 40일전부터 유사한 확률 증가 패턴이 나타났음을 밝혀냈다. 연구에 따르면 대지진이 발생하기 전 대부분 규모 1.5 미만의 지진 활동이 포착됐다. 연구팀은 이러한 저강도 전조 활동의 원인으로 단층 내 공극 유체 압력의 증가를 제시했다. 공극 유체 압력은 암석 내부의 유체 압력을 말한다. 높은 공극 유체 압력은 단층의 기계적 특성을 변화시켜 지역 응력장의 불균일한 변화를 초래하고, 이것이 비정상적인 저강도 지진 활동을 유발한다는 것이다. 연구팀은 기계 학습이 지진 연구에 긍정적인 영향을 미치고 있으며, 방대한 지진 데이터 분석을 통해 지진 발생 전조를 파악하는 데 중요한 역할을 할 수 있다고 강조했다. 그러나 연구팀은 알고리즘의 실시간 적용 및 새로운 지역에서의 활용을 위해 추가적인 검증이 필요하며, 지진 예측의 불확실성으로 인한 윤리적, 실질적인 문제들을 해결해야 한다고 지적했다. 특히 잘못된 예측으로 인한 사회적 혼란과 경제적 손실 가능성을 경고하며, 정확한 예측을 통한 인명 및 재산 피해 최소화와 균형을 맞추는 것이 중요하다고 말했다. 머신 러닝을 기반으로 한 지진 감지 방법은 8월 28일 학술 '네이처 커뮤니케이션스'에 게재됐다. 이 연구는 UAF 지구물리학 연구소의 타르실로 지로나 조교수가 주도했다. 독일 뮌헨의 루트비히 막시밀리안 대학교의 지질학자 키리아키 드리모니가 연구 공동 저자이다. 지로나는 "저희 논문은 고급 통계 기법, 특히 머신 러닝이 지진 카탈로그에서 얻은 데이터 세트를 분석해 대규모 지진의 전조 현상을 식별할 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 보여준다"고 말했다.
- IT/바이오
2024-09-09 11:18:00
[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 14:55:00
[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 16:25:00
[신소재 신기술(104)] 빛으로 암 쫓는다⋯새 광기반 기술, 전립선암 조기 발견 정확도 90%

영국에서 빛을 활용해 전립선암을 90%의 정확도로 조기 진단하는 기술이 개발됐다. 의학 전문매체 메디컬 익스프레스는 2일(현지시간) 영국 애스턴 대학교 연구팀이 새로운 광기반 기술로 암을 더 빠르고, 저렴하며, 덜 고통스럽게 진단할 수 있는 기술 개발의 첫 걸음을 내디뎠다며 이같이 보도했다. 애스턴대 광기술연구소의 이고르 메글린스키 교수 연구 팀은 빛을 기반으로 탈수된 혈액 내 결정체를 분석하는 새로운 방법을 개발했다. 이 연구는 「3D 뮬러 매트릭스 이미징 접근법을 사용한 혈액막의 다결정 미세구조에 대한 통찰력」이라는 제목의 논문으로 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)' 저널에 게재됐다. 메글린스키 교수는 새로운 편광 기반 이미지 재구성 기술을 사용해 건조 혈액 샘플의 다결정 구조를 분석했다. 암 초기 단계에 단백질 모양 변화 연구팀은 건강한 지원자, 전립선암 환자, 공격적인 암세포를 가진 환자 등 세 그룹으로 나뉜 크기가 동일한 그룹에서 108개의 혈액 도말 샘플을 분석했다. 암과 같은 질병 초기 단계에서는 혈액 내 단백질의 모양과 결합 방식이 변화하는데, 연구팀은 이러한 단백질의 3차 구조 또는 고유한 3D 모양의 변화와 4차 구조(여러 단백질이 결합되는 방식) 변화를 이용해 세포를 감지하고 분류했다. 이 기술을 통해 팀은 건조 혈액 도말 표본을 상세하게 분석해 건강한 표본과 암 표본 간의 중요한 차이를 식별할 수 있었다. 메글린스키 교수는 "이번 연구는 액체 생검 분야에 획기적인 기술을 도입해 비침습적이고 신뢰할 수 있으며 효율적인 진단 방법을 위한 노력에 부합한다"고 말했다. 이 연구 결과는 조기 진단 및 암 분류 모두에서 90%의 정확도를 보였다. 이는 기존 스크리닝 검사 방법보다 훨씬 높은 수치이다. 또한 조직 생검보다 혈액 샘플을 사용하기 때문에 환자에게 덜 침습적이고 위험성이 낮다. 메글린스키는 "이러한 높은 정확도와 비침습적인 특성은 액체 생검 기술의 중요한 발전을 의미한다"며 "암 진단, 조기 발견, 환자 분류, 모니터링 분야에 혁신을 가져와 종양학 분야와 환자 치료를 크게 개선할 수 있는 잠재력을 가지고 있다"고 기대했다.
- IT/바이오
2024-09-03 14:25:00

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