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2024-11-22 (금)

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[신소재 신기술(55)] 재활용 플라스틱으로 지속가능한 '냉각 페인트' 개발

싱가포르의 과학자들이 재활용 플라스틱을 활용해 새로운 '냉각 페인트(cool paint)'를 개발했다. 난양이공대학교(NTU) 연구팀은 재활용 플라스틱(아크릴, 폐 PVC 파이프, 폴리스티렌 폼)과 황산바륨(BaSO4)을 이용해 새로운 유형의 '냉각 페인트'를 제조하는 방법을 개발했다고 PHYS가 5일(현지시간) 보도했다. 이 페인트는 신규 플라스틱 사용을 대체하는 지속 가능하고 효율적인 방법을 제공한다. 난양이공대학교는 싱가포르 난양에 위치한 연구집약형 공립 종합대학으로 이공계 분야 세계적인 명문대학이다. NTU 연구팀은 '솔-겔(sol-gel)'과 '상 분리(phase inversion)' 등 두 가지 방법을 사용해 냉각 페인트를 개발했다. 먼저 솔-겔 방법으로, 연구팀은 재활용 플라스틱과 황산바륨을 혼합해서 페인트를 제조했다. 싱가포르 건물 옥상에서 실시된 24시간 테스트 결과, 이 페인트는 직사광선에 노출되었을 때 주변 기온보다 최대 1.2°C 낮은 온도를 유지했다. 야간에는 주변 온도보다 최대 3°C 낮은 온도를 유지했다. 이 페인트는 태양열 반사율이 약 97.7%이며 적외선 영역에서 열 방출율이 95%에 달하는 것으로 나타났다. 두 번째인 상 분리 방법 역시 재활용 플라스틱과 황산바륨을 사용하지만, 제조 과정에서 공기가 들어갈 수 있는 미세 기공을 형성시켜 재활용 플라스틱을 다공성으로 만드는 데 중점을 두었다. 이러한 기공은 햇빛을 스펙트럼 전체에 걸쳐 산란시키는 데 도움을 준다. 테스트 결과, 이 페인트로 코팅된 표면은 정오에는 거의 주변 기온과 동일한 온도를 유지했으며 야간에는 주변 온도보다 최대 2.5°C 낮았다. 두 방법 모두를 사용해 개발된 냉각 페인트는, 일반적으로 표면 온도를 주변 온도 이하로 낮추지 못하는 시판용 냉각 페인트보다 성능이 뛰어났다. 또한 분류되지 않은 플라스틱 폐기물(아크릴, PVC 파이프, 폴리스티렌 폼 혼합물)을 사용한 추가 연구에서도 단일 종류의 플라스틱 폐기물만 사용해서 개발된 냉각 페인트와 비슷한 결과를 얻었다. 이는 NTU 연구팀의 접근 방식이 다양한 종류의 플라스틱 분류 필요성을 줄여준다는 것을 시사한다. NTU 방식은 열대 환경의 온도를 낮추는 데 도움이 될 뿐만 아니라 효과적인 플라스틱 폐기물 관리에도 기여할 수 있다. 한편, 모든 플라스틱이 재활용 되는 것은 아니다. 플라스틱 액션 플랫폼인 리퍼포스 글로벌(rePurpose Global)에 따르면 실제로 재활용된 플라스틱은 10% 미만이다. 약 12%는 소각되었으며, 나머지는 매립되거나 바다로 버려졌다. 씨넷에 따르면 플라스틱의 약 91%는 재활용되지 않았다. 실제로 재활용할 수 없는 유형의 플라스틱이 많이 있지만 소비자의 부주의로 인해 재사용에 적합하지 않은 플라스틱도 있다. 예를 들어 플라스틱 용기에 잔여물이나 쓰레기, 또는 기타 물질이 들어 있으면 재활용을 할 수 없다. 따라서 재활용하려는 픍라스틱 용기를 깨끗하게 청소해서 분리수거 통에 버리는 것이 재활용 율을 높일 수 있는 가장 기본적이면서도 제일 중요한 방법이다.
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2024-06-07
[신소재 신기술(54)] 무산소 공정으로 고품질 그래핀 대량 생산 가능

북미 과학자들이 무산소 공정을 활용해 '꿈의 소재'로 불리는 그래핀의 대량 생산 길을 열었다. 미국 콜럼비아 대학교 대학원 엔지니어링의 혼(Hone) 연구소가 국립표준기술연구소(NIST), 캐나다 몬트리올 대학교 연구원들과 함께 '무산소 화학 지상 증착(OF-CVD)' 기술을 개발해 고품질 그래핀의 대량 생산을 가능하게 했다고 아조나노와 인디펜던스 등 다수 외신이 보도했다. 이 기술은 고품질 그래핀 샘플을 대규모로 생산할 수 있으며, 산소와 그래핀 품질 간의 직접적인 상관관계를 밝히고 미량 산소가 그래핀의 성장 속도에 어떤 영향을 미치는지 보여준다고 그래핀은 탄소 원자 단일층으로 이루어진 물질로 2004년 처음 발견됐다. '21세기 경이로운 소재'로 꼽히는 그래핀은 전기 전도성과 강도가 매우 뛰어나 에너지 저장부터 의료 기기, 전자 제품에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 혁신을 가져올 수 있는 물질로 알려져 있다. 하지만 현재까지 그래핀은 제조 과정에서 불순물이 발생하고 대량생산이 어려워 산업 활용에 한계가 있었다. 특히 산소 존재는 그래핀 성장 속도에 영향을 미치고 불순물을 발생시켜 산업적 활용을 저해하는 주요 원인이었다. 연구팀은 산소를 거의 완전히 제가한 상태에서 그래핀을 화학 기상 증착(CVD)방식으로 합성하는 새로운 방법을 개발했다. 연구팀은 "산소 제거를 통한 고품질 그래핀 합성 재현 기능성 확보는 대량 생산으로 나아가는 중요한 이정표"라고 말했다. 기존 그래핀 제조 방법은 두 가지였다. 첫번째는 박리 그래핀 방식이다. 연필 심과 동일한 재료인 흑연 샘플에서 가정용 테이프를 사용해 흑연 막을 벗겨내는 '스카치 테이프(박리 그래핀)' 방법은 매우 순수한 그래핀을 얻을 수 있지만 대량 생산에는 적합하지 않다. 두 번째는 CVD 성장 방식으로 알려져 있다. 15년 전 개발된 CVD 방식은 대량 생산이 가능하지만 산소 존재로 인해 품질이 균일하지 않았고, 성장 속도 저하 문제 등이 있었다. CVD 방식은 메탄과 같은 탄소 함유 가스가 구리 표면위로 통과한다. 가스의 온도가 메탄 조직과 탄소 원자가 재구성되어 벌집 모양의 단일 그래핀 층을 형성하는 지점까지 올라가면 그래핀이 합성된다. CVD 성장을 확장하면 cm(센티미터) 혹은 m(미터) 크기의 그래핀 샘플을 생산하는 것이 가능하다. 그러나 문제는 산소였다. 연구팀은 산소로 인해 공정이 훼손되는 문제를 해결하기 위해 산소 제어를 통한 그래핀 합성 프로세스를 개선했다. 공동 저자인 몬트리올의 리차드 마텔(Richard Martel)과 피에르 레베스크(Pierre Levesque)는 이전에 미세한 농도의 산소가 성장을 방해하고 심지어 그래핀을 제거할 수 있다는 사실을 입증했다. 약 6년 전, GSAS'19의 크리스토퍼 디마르코는 증착 과정에서 첨가되는 산소의 양을 정밀하게 제어할 수 있는 CVD 성장 시스템을 설계하고 구축했다. 디마르코의 연구는 현재 박사 과정 중인 싱저우 얀(Xingzhou Yan)과 제이콥 아몬트리(Jacob Amontree)가 수행해 성장 시스템을 개선했다. 이들은 미량의 산소가 제거되었을 때 CVD 성장이 일관되게 더 빨라진다는 사실을 발견했다. 또한 산소가 없는 CVD 그래핀 성장의 동역학을 조사하고 간단한 모델을 사용하여 온도와 가스 압력 등 다양한 매개변수에 따라 성장 속도를 예측할 수 있음을 발견했다. OF-CVD로 성장한 샘플의 품질은 박리 그래핀의 품질과 거의 동일한 것으로 나타났다. 컬럼비아 대학교 물리학과 교수들과 협력으로 생산된 그래핀은 자기장이 존재할 때 분수 양자 홀 효과에 대한 강력한 증거를 제공했다. 개선된 공정을 통해 빠르고 안정적으로 성장하는 고품질 그래핀을 얻을 수 있었으며, 이는 향후 그래핀 대량 활용 가능성을 열어준다. 이번 연구 결과는 학술지 '네이처(Nature)'에 '산소 없는 화학 기상 증착을 통한 재현 가능한 그래핀 합성'이라는 제목으로 게재됐다.
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2024-06-05
[신소재 신기술(53)] 새로운 냉각 기술로 양자 컴퓨팅 시대 열린다

미국에서 획기적인 냉각 기술이 개발돼 절대 영도 도달 시간을 단축했다. 미국 정부기관인 국립 표준 기술 연구원(NIST) 연구팀은 획기적인 냉각 기술을 개발해 빅 칠(Big Chill)로 알려진 절대 영도에 근접한 초저온을 기존보다 훨씬 빠르고 효율적으로 달성할 수 있게 됐다고 라이브사이언스가 최근 보도했다. 이 기술은 양자 컴퓨팅, 천문학 등 중요 과학 실험에 필요한 준비 시간을 크게 단축 시킬 수 있을 것으로 기대된다. 절대 영도는 -273.15℃ 또는 0켈빈으로 표시되는 가장 낮은 온도를 의미한다. 이 온도에서 원자와 분자는 완전히 정지 상태에 있으며, 열 에너지가 전혀 존재하지 않는다. 절대 온도는 이론적 개념이며 실제로 실험적으로 달성하기에는 어렵다. 현재까지 절대 온도에 가장 근접하게 도달한 온도는 1999년 로듐을 활용한 냉각 기법으로 기록한 약 100피코켈빈이다. 과학 실험에 사용되는 민감한 전기 장비는 온도 변동과 같은 외부 노이즈의 간섭을 받지 않도록 절대 영도 근처의 초저온을 유지해야 한다. 하지만 기존 냉장 장치는 이러한 온도를 달성하는 데 배우 비용이 많이 들고 비효율적이었다. NIST 과학자들은 훨씬 더 빠르고 효율적으로 절대 온도를 달성할 수 있는 새로운 프로토타입의 냉장고를 제작했다. 염구팀은 이를 사용하면 연간 2700만와트의 전력을 절약하고, 전세계 에너지 소비를 3000만달러까지 줄일 수 있다고 주장했다. 이번 연구 결과는 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 저널에 게재됐다. 기존PTR 설계 개선해 초저온 달성 기존 가정용 냉장고는 액체 냉매가 저압 파이트(증발기)를 통해 순환하면서 열을 흡수해 내부를 냉각시키는 방식으로 작동한다. 냉매는 압축기를 거쳐 다시 액체 상태로 변환되면서 온도가 상승하고 이 열은 냉장고 뒷면을 통해 방출된다. 과학자들은 40년 이상 펄스 튜브 냉장기(PTR)를 사용해 초저온을 달성해돴다. PTR은 헬륨 가스를 이용해 유사한 과정을 거치지만 열을 훨씬 더 잘 흡수한다. PTR은 효과적이긴 하지만 에너지 소비가 많고 비용이 많이 들며, 냉각 시간이 오래 걸리는 담점이 있다. NIST 연구팀은 기존 PTR 설계 개선을 통해 냉각 시간을 단축하고 전체 비용을 낮출 수 있다고 밝혔다. 연구팀은 PTR은 기본 온도(보통 4 켈빈 근처)에서만 최적의 성능을 발휘하도록 설계되어 있어 전체 냉각 과정 중 상당 부분에서 비효율적으로 작동한다고 지적했다. 이에 NIST 연구팀은 압축기(컴프레서)와 냉장고 사이의 PTR 설계를 조정해 헬륨 가스 사용 효율을 높였다. 기존 방식에서는 헬륨 가스 일부가 순환 루트 대신 방출 밸브로 유출되면서 낭비됐다. 적은 비용으로 양자 컴퓨팅 구현 연구팀이 제안한 재설계에는 온도가 내려가면 수축하는 밸브가 포함돼 헬륨 가스 낭비를 방지할 수 있다. 이러한 개선으로 NIST 팀이 셜계를 수정한 PTR은 기존 방식보다 1.7배~3.5배 빠르게 초저온(빅 칠)을 달성했다. 연구팀은 이 새로운 기술을 통해 이탈리아의 희귀 현상 암흑 물질 연구소(CUORE)에서 수행한 실험 시간을 최소 1주일 단축할 수 있었다고 밝혔다. 이 연구소는 현재까지 이론상으로만 존재하는 방사성 붕괴 형태와 같은 희귀 현상을 연구하는데 사용된다. 정확한 연구 결과를 얻기 위해서 이러한 시설에서 배경 잡음을 최대한 줄여야 한다. 연구진은 이 새로운 방법을 사용하면 현재 이론적인 형태의 방사능 붕괴와 같은 희귀 사건을 찾는 데 사용되는 이탈리아의 극저온지하천문대(CUORE)에서의 실험 시간을 최소 일주일 이상 단축할 수 있다고 연구 결과에서 밝혔다. 이 시설에서 정확한 결과를 얻으려면 배경 소음을 최대한 줄여야 한다. 양자 컴퓨터도 비슷한 수준의 격리가 필요하다. 양자 컴퓨터는 양자 비트, 즉 큐비트(qubit)를 사용한다. 기존 컴퓨터는 정보를 비트(bit) 단위로 저장하고 1 또는 0의 값으로 데이터를 인코딩하여 순차적으로 계산을 수행하지만 큐비트는 양자역학의 법칙에 따라 1과 0의 중첩을 차지하며 계산을 병렬로 처리하는 데 사용할 수 있다. 그러나 큐비트는 매우 민감하기 때문에 열 에너지의 미세한 변동을 포함해 최대한의 외부 노이즈(배경 잡음) 차단이 필요하다. 연구팀은 이론적으로 가까운 미래에 훨씬 더 효율적인 냉각 방법을 달성할 수 있으며, 이는 양자 컴퓨팅 분야에서 더 빠른 혁신으로 이어질 수 있다고 말했다. 또한, 연구팀은 이 기술이 초저온을 달성하면서도 동시에 훨씬 저렴한 비용으로 초저온 산업에 도움이 될 수 있으며, 시간 집약적이지 않은 실험 및 산업 응용 분야의 비용을 절감할 수 있다고 덧붙였다.
- 포커스온
2024-06-03
[신소재 신기술(52)] 공기 중 물 추출 기술, 글로벌 물 부족 해결할까?

공기에서 물을 추출하는 영화 같은 기술이 개발됐다. 습도가 거의 없는 지역에서도 공기에서 깨끗한 물을 추출할 수 있는 시스템이 개발됐다고 과학 기술 전문매체 인터레스팅엔지니얼링이 보도했다. 기후 변화로 인해 강수 패턴이 변화하고, 가뭄과 같은 극단적인 날씨 현상이 빈번해지면서 물 자원이 불 안정해지고 있다. 강수량의 변동성이 커져 물 부족 문제가 악화되고 있는 것. 유엔식량농업기구(FAO)에 따르면 전 세계 인구의 절반이 적어도 한 달에 한 번은 물 부족에 직면하고 있다. 2025년에는 전 세계 18억 명의 사람들이 절대적인 물 부족 상황에 직면할 것으로 예상되고 있다. 기후 변화로 인한 극심한 홍수도 이용 가능한 수자원을 오염시킬 수가 있다. 영화 '스타워즈'에서 영감 받은 공기 중에서 물을 생성하는 혁신적인 기술은 기후 변화로 초래되는 여러 불확실한 상황에서 깨끗하고 안전한 물을 공급하는 데 도움이 될 수 있다. 공기에서 물 생성 원리는? 공기로부터 믈을 생성하는 원리는 간단해 냉각방식과 가열 방식 두 가지가 있다. 공기 중의 습도는 수증기의 결과이며, 이를 추출하면 깨끗한 물을 얻을 수 있다. 냉각 방식에서는 습한 공기가 이슬점까지 냉각되어 수증기가 액체로 응축된다. 가열 방식은 흡습성 물질을 사용해 공기 중의 습기를 흡수한 후 가열해 수분을 방출하는 방식이다. 두 가지 기술 모두 확장이 쉽고, 재생 가능한 에너지로 전력을 공급받을 수 있으므로 고립된 섬이나 외딴 지역에 물을 공급하기가 용이하다. 2016년 가뭄에 직면한 케냐의 학생 베스 코이기(Beth Koigi)는 인근 강에서 깨끗한 물을 공급받을 수 있는 정수 솔루션을 찾기 시작했다. 그러던 중 냉각식 공기-물 발전기를 개발했다. 그녀는 지역사회가 깨끗한 물을 이용할 수 있도록 돕기 위해 마지크워터(Majik Water)를 설립했다. 마지크 워터는 비정부기구(NGO)와 협력하여 가정, 병원, 지역사회를 위한 확장 가능한 솔루션을 제공하고 있다. 가장 큰 설비는 24시간 동안 500리터의 물을 생산할 수 있다. 그러나 비용을 고려할 때 장기적인 해결책은 아니다. 고비용 문제 해결이 관건 아라비아해 남부 케랄라 주의 학생이었던 스왑닐 슈리바스타브(Swapnil Shrivastav)도 비슷한 경우다. 2016년 코지코데 시의 가뭄으로 하루에 물 공급량이 2통으로 줄어든 뒤, 그는 3년 후인 2019년 인도의 실리콘밸리인 벵갈루루에 '우라부 랩스(Uravu Labs)'를 설립했다. 물 생성을 위해 가열 방법을 사용하는 우라부 랩스는 단 12시간 만에 2000리터의 물을 공급할 수 있다,. 그러나 생산한 물을 지역 사회에 전달하는 비용이 지나치게 높았다. 게다가 인도에서 NGO 지원을 찾을 수 없었다. 그로 인해 우라브 랩스는 현재 호텔 산업에 물을 공급하고 있다. 이 회사는 자사의 장치를 배포해 깨끗한 물을 만들고 데이터 센터의 물 소비량을 95% 줄이려고 한다. 그러나 공기로부터 물을 얻는 시스템은 비용 절감 뿐만 아니라 글로벌 물 부족 문제를 해결하기 위해 열 교환기, 흡습성 재료, 응축기 등의 구성 요소에서 혁신을 이루어야 한다. 이에 전문가들은 이 시스템의 채택을 늘리기 위해 정부 지원과 환경 규제도 도움이 될 수 있다고 지적했다. 수질 정화 기술도 개발해야 한편으로는 공기 중에 존재하는 다양한 오염 물질을 효과적으로 제거하고, 추출된 물을 안전하게 식수로 공급하는 기술 개발이 필요하다. 공기에서 물을 추출하는 기술은 상당한 에너지를 필요로 한다. 이는 기술의 실용성과 지속 가능성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 특히 태양 에너지나 풍력과 같은 재생 에너지를 사용하지 않고 기존 전력망에 의존해 물을 추출한다면 에너지 생산 과정에서 발생하는 온실 가스 배출량의 문제가 발생한다. 또한 물 사용 방식에 대한 근본적인 변화를 요구하기 때문에 물 자원 소유권과 관리, 기술 개발 등 사회적 논쟁을 불러 일으킬 수 있다.
- IT/바이오
2024-05-31
[신소재 신기술(51)] '영원한 전자제품' 약속하는 실내 태양전지 기술 등장

스웨덴 태양전지 전문회사 익제거(Exeger)가 실내의 약한 빛에서도 작동되는 혁신적인 태양전지 제품을 내놓았다고 인디펜던스가 최근 보도했다. 익제거의 광전지 소재 파워포일(Powerfoyle)은 헤드폰에서 테블릿에 이르기까지 다양한 장치에 통합할 수 있어 일회용 배터리와 케이블이 필요하지 않다. 북극에 가까운 곳에 위치한 스웨덴은 겨울철에 빛이 부족하다는 점이 익제거의 공동 설립자 조반니 필리(Giovanni Fili)가 태양을 넘어 태양광 전지의 유일한 동력원으로 눈을 돌리게 된 이유 중 하나였다. 그의 획기적인 기술은 직사광선부터 촛불에 이르기까지 거의 모든 광원에서 전기를 얻을 수 있다. 달빛으로도 전력을 생산할 수 있지만, 실제로 사용하기까지는 시간이 좀 걸린다고 이 매체는 덧붙였다. 스톡홀름 북쪽 변두리에 있는 한 공장에서는 6초마다 한 장당 수천 유로에 달하는 일급 비밀 프린터가 시트를 뿜어내고 있다. 각 시트에는 108개의 소형 태양 전지가 들어 있으며, 곧 키보드에서 헤드폰에 이르기까지 일상적인 기기에 적용될 것이다. 익제거의 파워포일 태양광 전지는 기존의 유리로 덮인 패널과는 완전히 다른 구조를 가지고 있으며, 전도체 역할을 하는 은 선을 제거했다. 또한 부분적인 그림자에 민감하지 않아 광전지 패널의 효율성을 크게 저하시키는 문제를 개선했다. 이 특허받은 재질은 거의 모든 재질로 변형되어 헤드셋, 스피 등 다양한 제품에 완벽하게 통합될 수 있으며 방수, 방진, 내충격성을 제공한다. 필리는 인디펜던스와의 인터뷰에서 "거의 칠흑같이 어두운 해저의 해조류처럼, 우리는 아주 적은 광자를 효율적으로 사용할 수 있다"고 말했다. 그가 입고 있는 티셔츠에는 회사의 기술이 전 세계 문제를 동시에 해결할 수 있는 "세상을바꾸는 기술"이라고 적혀 있었다고 이 매체는 전했다. 익제거는 현재까지 헤드폰, 무선 스피커, 자전거 헬멧 등 7개의 제품에 파워포일 태양광 전지를 적용했으며, 6개 제품의 추가 출시를 발표했다. 아디다스, 필립스, 3M 등이 익제거의 교객이며, 로지텍과 애플도 논의 중인 것으로 알려졌다. 익제거는 특히 일회용 배터리 사용을 대폭 줄이거나 완전히 없앨 수 있단느 점을 강조하고 있다. 이는 특히 스마트 홈 분야의 혁신을 가져올 수 있다. 실제로 TV 리모컨만 해도 매년 31억 개의 일회용배터리가 버려지고 있으며, 익제거의 기술은 폐배터리 오염 등의 문제를 해결하는 데 기여할 수 있다. 이 회사의 파워포일은 다양하고 내구성이 뛰어나 노트북이나 스마트폰과 같은 고전력 장치를 제외하고는 거의 모든 전자기기에 적용될 수 있다. 또한 기존 배터리의 사용 시간을 50~100% 늘릴 수 있다. 또한 익제거는 가끔 사용하는 사용자라면 전혀 충전할 필요가 없는 태양광 전지 태블릿 커버 개발도 진행하고 있다. 미국 경제매체 포브스는 필리를 아마존 창업자 제프 베이조스, 마이크로소프트(MS) 창업자 빌 게이츠, 전기 자동차 테슬라의 최고경영자(CEO) 일론 머스크와 동일한 인물에 비유하기도 했다. 한편, 익제거의 태양광 전지 기술은 태양전지를 생산하는 프린터와 마찬가지로 철저히 비밀로 유지되고 있다. 현재 스톡홀름 공장에서 매분당 수천개씩 인쇄되고 있는 파워포일의 용도조차도 일반에게 아직 공개되지 않고 있다. 필리는 "이것은 정말 엄청난 일이다. 우리는 세계 최대의 키보드 및 마우스 공급 업체와 계약을 확보했으며, 이미 세계 유수 기업 및 브랜드와 파트너십을 맺었다"고 밝혀 키보드 제품이 사용도리 것임을 암시했다. 그는 "우리 손주들은 케이블이 있었다고 웃을 것"이라면서 "이 기술은 세계를 장악할 것"이라며 자신감을 드러냈다.
- IT/바이오
2024-05-28
[신소재 신기술(50)] 항공우주·운송 변화시킬 내열성 알루미늄 합금 탄생

중국 과학자들이 섭씨 500도까지 견딜 수 있는 내열성 알루미늄 합금을 개발했다. 텐진 대학교 연구팀은 미래 항공우주 설계에 큰 영향을 미칠 알루미늄의 내열성을 높이는 새로운 기술을 개발했다고 과학 기술 전문매체 인터레스팅엔지니어링이 최근 보도했다. 이번 연구 결과는 지난달 '네이처 머티리얼스'에 게재됐다. 새로 개발된 신소재는 산화 분산 강화 알루미늄 합금으로 최대 섭씨 500도까지 견딜 수 있다. 이는 섭씨 400도 이상에서 빠르게 분해되어 항공우주 산업이나 운송 등의 여러 분야에서 사용이 제한되는 기존 알루미늄 합금의 한계를 해결할 수 있다. 알루미늄 합금은 낮은 밀도, 높은 비강도와 우수한 내식성으로 인해 그동안 높은 평가를 받아왔다. 그러나 높은 온도에서 이러한 특성을 유지하기 힘들어 사용이 제한됐다. 특히 높은 온도가 일반적인 항공우주 응용 분야에서 더욱 그러하다. 연구팀은 알루미늄 합금에 고밀도, 초미세, 균일하게 분산된 나노 입자를 투입해 신소재를 제작했다. 톈진 대학교의 발표에 따르면 이 방법을 통해 합금의 고온 저항성을 크게 개선해 섭씨 500도에서 200 메가파스칼 이상의 인장 강도를 입증했으며, 기존 알루미늄 합금보다 6배 이상 뛰어난 안정성을 나타냈다. 게다가 텐진 대학교 재료과학 및 공학부의 허 춘니안 교수와 그의 팀이 개발한 기술은 일루미눔에만 국한되지 않고 여러 금속을 강화하는 데도 사용할 수 있다. 논문 저자들은 "우리의 공정 방식은 고온 관련 응용 분야를 위한 광범위한 합금에 초미세 나노 입자를 분산시킬 수 있다"고 말했다. 이 공정에는 분말 야금을 사용해 매우 안정적인 산화마그네슘 나노 입자를 알루미늄 매트릭스에 통합하는 것이 포함된다. 이 기술은 재료의 내열성을 향상시킬 뿐만 아니라 제조 공정이 간단하고 비용 효율적이며 대량 생산에 적합하다. 허 교수는 항공우주 엔진 및 핵심 부품을 위한 내열 알루미늄 합금의 개발을 가속화하기 위해 업계 리더 및 연구 기관과 협력하고 있다며 이 혁신적인 알류미늄 소재의 실질적인 의미를 강조했다. 그는 이 소재가 곧 다양한 고온 함금 응용분야에 적용될 것으로 예상하면서 산업적 적용을 기대했다.
- 포커스온
2024-05-27
[신소재 신기술(49)] 비건 가죽, 박테리아로 만든다?

유전자 변형 박테리아를 이용해 동물 가죽이 없이도 비건 가죽 소재를 배양하는 새로운 기술이 개발됐다. 영국 임페리얼 칼리지 런던 과학자들은 유전자 조작 박테리아를 이용해 비건 가죽을 배양해 신발 시제품을 제작했다고 더쿨다운이 지난 21일(현지시간) 보도했다. 미생물을 이용해 친환경적인 원단을 만드는 것은 새로운 것이 아니지만 연구팀은 패션 업계에서 가장 환경에 해로운 공정중 하나인 합성 화학 염료가 필요없는 자가 염색 가죽을 생산할 수 있도록 한 것은 이번이 처음이라고 인터레스팅엔지니어링은 전했다. 가죽은 지속가능한 패션 산업 내에서 많은 논쟁의 진원지였다. 가죽을 생산하려면 동물 가죽을 적절하게 가공하고, 염색하기 위해서 유해한 화학 물질을 사용해야 한다. 그로 인해 동물 학대나 환경 오염 등의 논란이 꾸준히 제기됐다. 가장 일반적인 비건 가죽 대체품은 원단이나 코팅에 석유 기반 폴리머(플라스틱)이 포함된다. 이는 동물 사육이나 화학적 처리의 필요성은 없지만 생분해가 되지 않아 플라스틱 페기물 문제에 대한 우려를 불러일으키기도 했다. 임페리얼 칼리지 연구원들은 미생물에서 기능성 직물을 얻는 소재 디자이너인 젠 케인(Jen Keane)과 협력해 박테리아 셀룰로스 시트를 활용해 가죽 시제품을 만들었다. 박테리아로 자가 염색 가죽 제작 임페리얼 칼리지에 따르면 연구팀은 내구성과 유연성이 뛰어나 섬유에 완벽하게 작용하는 미생물 셀룰로오스 시트를 생산하는 박테리아의 일종으로 자가 염색 가죽을 만들었다. 그런 다움 연구팀은 유전자를 변형해 가죽을 성장사키는 미생물이 검은 색소를 생산하도록 지시해 염색 과정을 대체했다. 연구팀은 박테리아를 '신발 모양 용기'에서 2주 동안 배양해 신발의 갑피 부분을 성장 시켰다. 셀룰로오스가 신발과 비슷해지면 연구팀은 86도에서 부드럽게 흔들어 박테리아의 검은색을 활성화해서 가죽 안쪽부터 염색했다. 연구팀은 또 신발 이외에도 정사각형 모양의 셀롤로오스 시트 2장을 함께 꿰매 검은색 지갑을 제작했다. 임페리얼은 연구팀이 "이 박테리아가 다른 미생물의 유전자를 사용해 다양한 패턴, 색상 및 캐시미어와 면과 같은 기타 직물을 생산하도록 조작할 수 있었다"고 밝혔다. 이번 연구의 공동 저자인 케네스 워커 박사는 "우리의 기술은 시제품에서 볼 수 있듯이 실제 제품을 만들 수 있을 만큼 큰 규모로 작동한다"고 말했다. 워커 박사는 "이 연구는 또한 과학자와 디자이너가 함께 작업할 때 발생할 수 있는 시너지 효과를 보여준다"고 덧붙였다. 지속가능한 패션 산업 기대 패션 산업의 친환경 미래를 위한 연구팀의 시도는 여기서 멈추지 않았다. 현재 연구팀은 가죽을 성장시키는 박테리아가 어떤 색소를 만들수 있는 지를 연구하고 있다. 연구팀과 협력자들은 영국의 생명 공학 및 생물과학 연구위원회로부터 250만달러의 자금을 지원받아 합성 생물학을 사용해 패션 산업의 폐기물 절감 연구를 계획하고 있다. 그동안 몇몇 스타트업이 버섯을 활용한 비건 가죽이나 파인애플 잎, 선인장을 사용해 플라스틱이 없는 식물성(비건) 가죽을 만들었지만 대량 생산으로 이어진 사례는 거의 없다. 이번 연구의 제1저자인 톰 엘리스 교수는 "지속가능한 자가 염색 가죽 대체품을 생산할 수 있는 새롭고 빠른 방법을 개발한 것은 중요한 성과"라고 평가했다. 엘리스 교수는 "박테리아의 셀룰로오스는 본질적으로 비건이다. 박테리아 셀룰로오스의 성장에는 가죽을 생산하기 위해 소를 사육하는 데 필요한 탄소 배출량, 물, 토지 사용량 중의 극히 일부분만 필요하다. 박테리아 셀룰로오스는 플라스틱 기반의 가죽 대체제와 달리 석유화학 물질 없이도 가죽을 생산할 수 있으며, 안전하고 무독성으로 생분해된다"고 말했다.
- 포커스온
2024-05-23
[신소재 신기술(48)] 해킹 불가능한 양자 항법 시스템, 영국에서 최초 비행 테스트

영국에서 해킹이 불가능한 항공기 양자 기술 시험 비행이 성공했다. 영국 항공기에서 획기적인 양자 기술 시험 비행이 성공적으로 진행되어 기존 GPS 시스템을 보완하는 견고한 백업 시스템 개발에 새로운 가능성을 제시했다고 BBC가 최근 보도했다. 이번 연구 개발을 지원한 영국 정부는 공개적으로 인정된 최초의 양자 기술 항공기 시험 비행이라고 밝혔다. 앤드류 그리피스 과학부장관은 지난 9일(현지시간) 시험 비행 후 "영국이 세계 양자 기술 선두 국가임을 다시 한 번 증명하는 사례"라고 밝혔다. 양자 기술 기업인 인플렉션(Infleqtion)이 주도하고 업계 및 학계 파트너와 협력한 이 프로젝트는 정부로부터 약 800만 파운드(약 137억원)의 지원을 받았다. 25억 파운드(약 4조 2947억원) 규모의 국가 양자 전략(National Quantum Strategy) 및 국가 양자 기술 프로그램(National Quantum Technologies Programme)과 함께 이 자금 지원은 선도적인 양자 기반 경제로서 영국의 입지를 확고히 하는 것이 목표라고 영국 국방 기술업체 키네틱(QinetiQ)은 밝혔다. 인플렉션이 이끄는 틈은 일련의 시험 비행 동안 두 가지 획기적인 양자 기술, 즉 기술 기업 티커(Tiqker) 광학 원자 시계와 밀폐된 초저온 원자 기반 양지 시스템을 키네틱의 개조 항공기인 RJ100에 탑재해 시연했다. 현재 주로 사용되고 있는 GPS는 위성 기반 시스템이지만, 이번 시험에 사용된 것은 양자 기반 시스템이다. 양자 기술은 매우 미세한 단위의 물질 특성을 이용하는 기술을 말한다. GPS는 항공기, 선박, 자동차 운행뿐만 아니라 군사 분야에서도 중요하게 사용되며, 스마트폰의 위치 정보에도 활용된다. 하지만 GPS 신호는 간섭(재밍, jamming) 또는 위장(스푸핑, spoofed)을 통해 오류를 발생시킬 수 있다. 실제로 지난 3월 그랜트 샤프스 영국 국방장관이 탑승한 RAF 항공기의 GPS 신호가 러시아 영토 인근을 비행하는 동안 간섭을 받았던 사례가 있다. 핀란드 항공사인 핀에어 또한 항공기 2대가 GPS 간섭을 받은 후 매일 운항하던 에스토니아 타르투(Tartu) 행 운항을 한 달 동안 중단해야 했다. 전문가들은 러시아가 위성 항법 시스템에 장애를 일으켜 수천 건의 민간 항공편에 영향을 미쳤다고 비난했다. 드론과 미사일을 포함한 많은 군사 기술에도 GPS가 사용된다. 하지만 GPS 간섭은 소규모로도 진행될 수 있다. 예를 들어 고용주가 차량에 GPS 추적 장치를 설치한 경우 운전자가 이를 차단하는 데에도 사용될 수 있다. 전문가들은 GPS가 우주에서 수신되는 신호에 의존하기 때문에 자동차 헤드라이트 정도의 출력만을 갖춘 GPS 위성은 쉽게 간섭을 받을 수 있다고 지적했다. 영국에서 이번에 시험 운행한 새로운 시스템은 -273°C(절대 영도 근처)까지 냉각된 원자 군을 사용한다. 원자 군은 항공기 자체에 탑재되기 때문에 스푸핑이나 전파 방해의 영향을 받지 않는다. 새로운 시스템은 매우 작은 입자를 다루는 과학 용어로 ‘양자 시스템’이라고 부른다. 개별 원자는 엄청나게 작으며(머리카락 한 가닥은 약 100만 개의 원자로 이루어져 있음), 이러한 미세한 양자 단위에서 작업하는 것은 지상에서도 매우 어렵다. 원자를 사용하는 이 시스템은 항공기의 방향과 가속도 측정을 목표로 한다. 이를 종합적으로 활용하면 비행기의 정확한 위치를 정밀하게 파악하는 데 사용할 수 있다. 이번 시험 비행은 이처럼 미세한 원자를 매우 제한된 공간인 까다로운 항공기 환경에서도 사용할 수 있음을 보여주었다. 영국 정부는 이번 시험 비행이 "영국 내 최초의 항공기 탑재 양자 기술 시험"이자 "공개적으로 알려진 전 세계 최초의 시험 비행"이라고 밝혔다. 이달 초 마무리된 이번 시험 비행에는 양자 기술 기업인 인플렉션(Infleqtion)과 항공 우주 기업 BAE 시스템스(BAE Systems), 영국의 방 및 안보 과학 기술 연구 기관 키네틱(QinetiQ)이 참여했다. 하지만 양자 기술 자체는 매우 미세하지만 현재까지 개발된 장비는 여전히 사이즈가 크다는 단점이 있다. 이 프로젝트에 참여했던 BAE 시스템스 팀의 헨리 화이트(Henry White)는 이러한 이유로 "더 넓은 공간을 확보할 수 있는 선박"에 처음으로 적용될 가능성이 있다고 언급했다. 이번 시험 비행에서는 GPS 신호가 차단된 경우 백업으로 사용할 수 있는 양자 시계도 항공기에 탑재됐다. 실험실에서 최고의 양자 시계는 놀라운 정확도를 자랑했다. 화이트는 "우주 초기부터 작동하기 시작했다면 지금까지 1초도 늦지 않았을 것"이라고 말했다. 그는 이번 시험 비행이 "중대한 이정표"라고 평가하면서도 실제 활용까지는 시간이 걸릴 것이라고 인정했다. 항공 보안 분야의 사이버 보안 회사인 펜 테스트 파트너스(Pen Test Partners)의 켄 문로(Ken Munro)는 이번 시험 비행이 "올바른 방향으로 나아가는 중요한 발걸음"이라고 평가하면서도 "영국 상용 항공 분야에서 실제로 적용되기까지는 10~20년이 걸릴 것"이라고 예상했다. 영국 항공기에서 진행된 양자 기술 시험 비행은 GPS 시스템에 대한 의존도를 높일 수 있는 획기적인 기술 개발에 중요한 진전을 보여주었다. BBC는 아직 초기 단계이지만, 이번 시험 비행은 미래 항공 및 해양 운송 분야에 혁신을 가져올 수 있는 문을 열었다고 평가했다. 향후 연구 개발을 통해 양자 기술 기반 항법 시스템의 정확도, 효율성, 실용성을 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
- 포커스온
2024-05-17
[신소재 신기술(47)] ETH 취리히, 그래핀 내 전자 소용돌이 최초 감지

스위스 연방 공과대학교(ETH 취리히)의 연구팀이 최초로 고해상도 자기장 센서를 사용해 그래핀에서 전자 소용돌이를 직접 검출하는 데 성공했다고 과학 웹사이트 phys.org가 지난 14일(현지시간) 보도했다. 금속 와이어와 같은 일반적인 전기 도체를 배터리에 연결하면 도체 내의 전자는 배터리가 생성하는 전기장에 의해 가속된다. 전자는 이동하는 동안 전선의 불순물 원자 또는 결정 격자의 빈 공간과 자주 충돌해 운동 에너지의 일부를 격자 진동으로 변환한다. 이 과정에서 손실되는 에너지는 예를 들어 백열전구를 만질 때 느낄 수 있는 열로 변환된다. 격자 불순물과의 충돌은 자주 발생하지만 전자 간의 충돌은 훨씬 드물다. 그러나 벌집 모양 격자로 배열된 탄소 원자 단일층인 그래핀을 일반적인 철 또는 구리 와이어 대신 사용하면 상황이 달라진다. 그래핀에서 불순물 충돌은 드물고 전자 간 충돌이 주요 역할을 한다. 이 경우 전자는 점성 액체처럼 행동한다. 따라서 잘 알려진 흐름 현상인 소용돌이(와류)가 그래핀 층에서 발생해야 한다. ETH 취리히의 크리스티안 데겐(Christian Degen) 연구원은 고해상도 자기장 센서를 사용해 그래핀의 전자 소용돌이를 처음으로 직접 감지하는 데 성공했다고 '사이언스(Science)' 저널에 보고했다. 고감도 양자 감지 현미경 데겐과 그의 동료 연구원들은 제작 과정에서 폭 1㎛(마이크로미터) 너비의 전도성 그래핀 스트립에 부착한 작은 원형 디스크에 형성된 소용돌이를 연구했다. 디스크의 직경은 1.2㎛에서 3㎛사이였다. 이론적 계산에 따르면 작은 디스크에서는 전자 소용돌이가 형성되지만 큰 디스크에서는 형성되지 않아야 한다. 소용돌이를 가시화하기 위해 연구팀은 그래핀 내부에 흐르는 전자가 생성하는 미세한 자기장을 측정했다. 이를 위해 연구팀은 다이아몬드 바늘 끝에 질소-공동 센터(Nitrogen-vacancy center, NV 센터)가 내장된 양자 자기장 센서를 사용했다. 원자 결함인 NV 센터는 외부 자기장에 따라 에너지 레벨이 변하는 양자 물체처럼 작동한다. 레이저 빔과 마이크로웨이브 펄스를 사용하면 센터의 양자 상태를 자기장에 최대 감도를 갖도록 준비할 수 있다. 연구원들은 레이저를 사용해 양자 상태를 판독함으로써 이러한 자기장의 세기를 매우 정확하게 측정할 수 있었다. 데겐 연구팀의 박사 과정 학생이었던 마리우스 팜은 "다이아몬드 바늘의 크기가 작고 그래핀 층과의 거리가 약 70나노미터에 불과하기 때문에 100나노미터 미만의 해상도로 전자 전류를 볼 수 있었다"고 말했다. 이 분해능은 소용돌이를 관찰하기에 충분하다. 소용돌이 흐름 방향 반전 관찰 연구팀은 측정에서 더 작은 디스크에서 예상되는 소용돌이의 특징적인 징후, 즉 흐름 방향의 반전을 관찰했다. 일반(확산) 전자 수송에서는 스트립과 디스크의 전자가 같은 방향으로 흐르지만, 소용돌이의 경우 디스크 내부의 흐름 방향이 반전된다. 계산에서 예측한 대로 더 큰 디스크에서는 소용돌이가 관찰되지 않았다. 팜은 "매우 민감한 센서와 높은 공간 분해능 덕분에 그래핀을 냉각할 필요도 없었고 상온에서 실험을 수행할 수 있었다"고 말했다. 또한, 연구팀은 전자 와류뿐만 아니라 정공 캐리어에 의해 형성된 와류도 감지했다. 그래핀 아래에서 전압을 가함으로써, 연구원들은 전류 흐름이 더 이상 전자가 아닌 정공이라고도 하는 누락된 전자에 의해 전달되도록 자유 전자의 수를 변경했다. 전자와 정공이 모두 작고 균형 잡힌 농도가 있는 전하 중립점에서만 와류가 완전히 사라졌다. 팜은 "현재 전자 소용돌이의 탐지는 기초 연구이며 아직 미해결 과제가 많이 남아 있다"고 말했다. 연구팀은 전자와 그래핀의 경계면과의 충돌이 흐름 패턴에 어떤 영향을 미치는지, 더 작은 구조에서 어떤 효과가 발생하는지 추가 연구를 진행할 계획이다. 출처: Marius L. Palm 외, '상온에서 그래핀의 전류 소용돌이 관찰', Science (2024). DOI: 10.1126/science.adj2167
- IT/바이오
2024-05-16
[신소재 신기술(46)] 머리카락만큼 얇고 소리 75% 차단하는 '방음 커튼'

아파트 등 공동주택이 늘어나면서 한밤중에 들려오는 소리에 잠을 못 이루는 사람이 많다. 반대로 너무 예민해서 자신이 내는 소리에 옆방이나 옆집 사람이 잠 못 이루는 것을 걱정하는 경우도 있다. 머리카락만큼 얇지만 소리를 75% 차단하는 방음 커튼이 미국에서 개발돼 층간 소음 등 소음 문제 해결에 희소식을 전하고 있다. 미국 매사추세츠공과대학교(MIT) 요엘 핀크(Joel Fink) 등 연구팀은 머리카락처럼 가는 직물에 스피커 기술을 접목해 조용한 공간을 만들 수 있는 방음 커튼을 개발했다고 발표했다. 방음 실크, 노이즈 캔슬링 기능 과학 전문 매체 기가진(Gigazine)에 따르면 MIT가 개발한 '방음 실크(soundproof silk)'는 두 가지 방식으로 조용한 공간을 조성하고 소음을 억제한다. 첫 번째는 소리에 반응해 음파를 발생시켜 소음을 상쇄하는 노이즈 캔슬링(noise-canceling) 기능이다. 직물에 노이즈 캔슬링 기능을 부여하는 기술은 직물을 마이크로 만드는 데 사용되는 기술을 응용한 것이다. 이전 연구에서는 진동을 받으면 전기 신호를 방출하는 압전 섬유를 직물에 꿰매어 직물 마이크를 제작했다. 반면 방음 실크는 압전 섬유에 전기 신호를 통과시켜 소리를 생성했다. 연구팀은 심지어 방음 실크를 원형 프레임에 부착해 바흐 음악을 재생하는 스피커로 사용하는 데도 성공했다. 이 직물은 소음과 반대 위상의 음파를 방출해 소리를 상쇄시켜 소음 제거 방음 실크를 구현했다. MIT의 그레이스 양(Grace Yang) 연구원은 이번 연구에 대해 "직물을 이용해 소리를 낼 수도 있지만 우리가 사는 세상은 이미 소음으로 가득 차 있기 때문에 소리를 내는 것보다 침묵을 만드는 것이 더 가치 있다고 생각했다"고 설명했다. 그러나 이 소음 제거 기능은 헤드폰과 귀 사이의 공간과 같은 좁은 공간에서만 작동하며 큰 방과 같은 넓은 공간에서는 작동하지 않는다. 직물에 진동 제어 기능 삽입 따라서 연구팀은 방음 실크에 두 번째 기능을 삽입했다. 섬유의 진동을 제어하고 직물이 움직이지 않도록 해 소리가 직물을 통과하지 못하게 한 것이다. 예를 들어, 아파트에서 이웃이 한밤중에 소음을 낼 경우 소음으로 인해 벽이 진동해 방 안에 소리가 발생하기 때문에 소리가 다음 아파트로 전달된다. 연구팀은 직물을 가만히 잡고 있을 때 방음 실크가 거울처럼 작동해 소리를 반사하고, 소리가 직물을 통해 청취자에게 전달되는 것을 막는다는 것을 발견했다. 이러한 방음 효과는 방과 같은 넓은 공간에서도 작동한다. 실제로 연구팀은 위의 그림 왼쪽 하단의 '직접 억제 모드'와 함께 소음 제거 기능을 테스트했을 때 최대 65데시벨, 즉 사람이 큰 소리로 말하는 것과 같은 음량의 소리를 줄일 수 있다는 것을 발견했다. 또한 직물의 진동을 억제하는 '진동 억제 모드'(오른쪽 하단)는 최대 75%까지 소음 전달을 줄일 수 있었다. 연구팀은 앞으로 다중 주파수를 차단할 수 있는 직물을 연구하고 압전 섬유 개수, 봉제 방법 및 인가 전압을 변경하여 방음 성능을 더욱 향상시킬 계획이다. 연구팀은 "이 특수 커튼을 통해 '역위상을 통한 소리의 상쇄와 '직물의 진동을 억제해 소리를 반사하는 것'이 가능하다"고 밝혔다. 이번 연구 내용은 2024년 4월 1일자 과학저널 '언드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)'에 게재됐다.
- 포커스온
2024-05-14
[신소재 신기술(45)] 초인적 속도의 친환경 수중 자전거

프랑스에서 물속에서 훨씬 더 빠르게 이동할 수 있는 친환경 수중 자전거를 개발했다. 프랑스 회사 씨바이크(Seabike)는 수영하는 사람이 빠른 속도로 물속에서 이동할 수 있는 수영 장비인 수중 자전거를 개발했다고 뉴아틀라스가 보도했다. 수중 외발자전거처럼 생긴 이 장비는 약 13인치(38cm)의 크랭크 구동 프로펠러를 사용하여 사용자의 다리 힘으로 수중을 더 빠르게 이동할 수 있도록 도와준다. 해당 장비는 사용자가 원하는 길이까지 폴을 조절한 후, 벨트로 허리에 고정하고 페달을 밟으면 프로펠러가 회전되면서 추진력을 제공한다. 프로펠러는 양방향으로 작동하므로 뒤집어서 프로펠러를 앞으로 내밀고 페달 대신 손잡이를 붙인 다음 팔로 조종할 수도 있다. 씨바이크는 이 수중 자전거가 천천히 회전하기 때문에 지역 수영장에서 안전하게 사용할 수 있다고 설명했다. 제조사에 따르면, 이 제품을 사용하면 오리발(핀)을 착용한 수영 선수보다 더 빠르게 이동할 수 있다고 한다. 또한 스노클링 보드 및 스피어피싱 키트와 함께 판매되며, 개방 수역에서 먼 거리를 이동하는 데 매우 효과적이라고 밝혔다. 현재 가격은 290유로(약 310달러, 약 42만원)부터 시작한다. 이 제품은 접어서 보관할 수 있어서 휴대가 간편하며, 전기가 필요 없는 간단한 구조를 가지고 있어 친환경적이라는 장점도 있다. 한편, 수중 자전거 아이디어는 씨바이크만 있는 것이 아니다. 미국 기업인 아쿠아사이클(AquaCycle)에서 개발한 제품 아쿠아사이클은 물속에서 자전거를 타는 것과 같은 느낌으로 운동할 수 있는 수중 운동 기구다. 실내 수영장에서 주로 사용되며, 관절에 부담을 주지 않고 운동할 수 있다는 장점이 있다. 영국 회사인 워터로우어(WaterRower)에서 개발한 워터로우어는 뗏목에 자전거를 장착한 것 같은 형태의 제품으로, 물의 저항을 이용하여 운동할 수 있다. 워터로우어는 유산소 운동과 근력 운동을 동시에 할 수 있다는 장점이 있다.
- 포커스온
2024-05-10
[신소재 신기술(44)] 혈액뇌장벽 관통 나노입자 개발

혈액 뇌 장벽을 뚫는 나노입자가 개발돼 유방암과 뇌 전이 치료의 새로운 가능성을 열었다. 미국 마이애미 대학교 밀러 의과대학 실베스터 종합 암 센터의 연구원들은 혈액뇌장벽을 관통할 수 있는 나노입자를 개발했다고 과학 웹사이트 phys.org가 지난 6일(현지시간) 보도했다. 연구원들의 목표는 한 번의 치료로 원발성 유방암 종양과 뇌 전이를 죽이는 것이다. 이 연구는 실험실 연구에서 유방암과 뇌종양을 줄일 수 있음을 보여준다. 이차 종양이라고 불리는 '뇌 전이'는 유방암, 폐암, 대장암과 같은 고형 종양에서 가장 흔하게 발생하며 예후가 좋지 않은 경우가 많다. 암이 뇌에 침범하면 뇌와 신체의 나머지 부분을 분리하는 거의 뚫을 수 없는 막인 혈액 뇌 장벽으로 인해 치료가 어려울 수 있다. 이 연구를 주도한 실베스터의 생화학 및 분자생물학 부교수이자 기술 및 혁신 부책임자인 샨타 다르 박사는 연구팀이 개발한 나노 입자가 향후 원발 종양을 동시에 치료하는 추가적인 이점과 함께 전이를 치료하는 데 사용될 수 있다고 말했다. 다르 박사는 이번 논문의 시니어 저자이기도 하다. 이 연구 논문은 지난 5월 6일 미국 국립과학원 회보에 게재됐다. 연구팀은 전임상 연구에서 세포의 에너지 생산 중심인 미토콘드리아를 표적으로 하는 두 가지 전구 약물을 입자에 탑재해 유방암과 뇌종양을 축소할 수 있음을 보여주었다. 다르 박사는 "저는 항상 나노 의학이 미래라고 말한다. 물론 우리는 이미 그 미래에 와 있다"며 나노 입자를 제형에 사용하는 상용화된 코로나19 백신을 언급했다. 그러면서 "나노 의학은 암 치료제의 미래이기도 하다"라고 덧붙였다. 이 새로운 방법은 다르 연구팀이 이전에 개발한 생분해성 폴리머로 만든 나노 입자와 암의 에너지원을 겨냥하여 연구실에서 개발한 두 가지 약물을 결합해서 사용한다. 암세포는 건강한 세포와 다른 형태의 신진대사를 하는 경우가 많기 때문에 대사를 억제하면 다른 조직을 해치지 않고 종양을 죽이는 효과적인 방법이 될 수 있다. 이러한 약물 중 하나는 고전적인 화학 요법 약물인 시스플라틴의 변형 버전으로, 빠르게 성장하는 세포의 DNA를 손상시켜 암세포의 성장을 효과적으로 중단시킴으로써 암세포를 죽인다. 그러나 종양 세포는 DNA를 복구해 때때로 시스플라틴 내성을 일으킬 수 있다. 다르 박사팀은 약물의 표적을 염색체와 게놈을 구성하는 DNA인 핵 DNA에서 미토콘드리아 DNA로 바꾸도록 수정했다. 미토콘드리아는 세포의 에너지원이며 훨씬 작은 자체 게놈을 포함하고 있으며, 암 치료 목적상 중요한 것은 큰 게놈과 동일한 DNA 복구 메커니즘을 가지고 있지 않다는 점이다. 암세포는 성장과 증식을 유지하기 위해 다양한 에너지원을 전환할 수 있기 때문에 연구팀은 산화적 인산화로 알려진 에너지 생성 과정을 공격하는 변형 시스플라틴을 키나아제로 알려진 미토콘드리아 단백질을 표적으로 하고 다른 종류의 에너지 생성인 해당 작용을 억제하는 또 다른 약물인 Mito-DCA와 결합하여 개발했다. 다르 박사는 뇌에 접근할 수 있는 나노입자를 개발하는 것은 먼 길이라고 말했다. 그녀는 평생 동안 나노 입자를 연구해 왔으며, 다양한 형태의 폴리머를 연구하는 이전 프로젝트에서, 전임상 연구에서 일부 나노 입자가 뇌에 도달하는 것을 발견했다. 다르의 연구팀은 이러한 폴리머를 더욱 연마하여 혈액-뇌 장벽과 미토콘드리아의 외막을 모두 통과할 수 있는 나노 입자를 개발했다. 다르 박사는 "이 사실을 알아내기까지 많은 우여곡절이 있었으며, 이 입자가 혈액뇌장벽을 통과하는 메커니즘을 이해하기 위해 여전히 노력하고 있다"고 말했다. 그런 다음 연구팀은 전임상 연구에서 특수 약물이 탑재된 나노 입자를 테스트한 결과 유방 종양과 뇌에 종양을 형성하기 위해 주입된 유방암 세포를 모두 축소시키는 효과가 있다는 사실을 발견했다. 나노 입자-약물 조합은 또한 실험실 연구에서 무독성이며 생존 기간을 크게 연장하는 것으로 나타났다. 연구팀은 향후 환자 유래 암세포를 사용해 인간의 뇌 전이를 더 가깝게 재현하기 위해 실험실에서 이 방법을 테스트할 계획이다. 또한 특히 공격적인 뇌암인 교모세포종의 실험실 모델에서 이 약물을 테스트할 예정이다. 다르 박사의 연구실에서 근무하는 마이애미 대학교 박사 과정 학생이자 이번 연구의 공동 제1저자인 아카시 아쇼칸은 "저는 고분자 화학에 관심이 많고, 이를 의료 목적으로 사용하는 것이 정말 매력적이다"라고 말했다.
- 포커스온
2024-05-08
[신소재 신기술(43)] 투명 소재로 광전지 새로운 가능성 열어

독일 라이프치히 물리학자들이 빛이 반투명 물질에서도 전기를 생성한다는 것을 증명했다. 반투명 소재는 빛에 노출되면 빛의 흡수량이 매우 적더라도 전기를 생성할 수 있는 것으로 알려져 있다. 일부 물질은 특정 주파수의 빛에 투명하다. 이러한 물질에 빛을 비추면 이전의 가정과는 달리 전류가 생성될 수 있다. 라이프치히 대학교와 싱가포르 난양공과대학교의 과학자들이 이를 증명하는 데 성공했다고 오일프라이스가 전했다. 이 연구 결과는 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)' 저널에 발표됐다. 이번 발견은 광전자 및 광전지 분야에 혁명을 일으킬 잠재력을 가지고 있다. 라이프치히 대학교 이론물리연구소의 인티 소데만 빌라디에고 교수는 "이는 광 증폭기, 센서, 태양전지와 같은 광전자 및 광전소자를 구성하는 데 새로운 패러다임을 열었다"고 말했다. 그의 동료인 시 리쿤은 "물질의 빛 흡수량이 매우 작은 경우에도 빛으로 전류를 구동하는 것이 가능하다. 이것은 중요한 새로운 통찰력이다"라고 전했다. 플로케 페르미 액체 인티 소데만 빌라디에고와 그의 동료들은 '플로케 페르미 액체(Floquet Fermi liquid)' 상태를 조사했다. 페르미 액체는 많은 양자 역학적 입자의 특수한 상태로, 일반적인 고전적인 입자와는 매우 다른 특성을 가지고 있다. 즉, 페르미 액체는 금이나 은과 같은 금속 속 전자의 전기 유체와 같은 일반적인 물질부터 저온에서 헬륨-3 원자의 유체와 같은 보다 이색적인 상황에 이르기까지 다양한 상황에서 발생할 수 있다. 이러한 액체는 저온에서 전기의 초전도체가 되는 등 '놀라운 특성'을 나타낼 수 있다. 플로케 페르미 액체는 시간 주기적으로 변화하는 외부 힘에 의해 영향을 받는 특수한 유형의 금속 상태다. 페르미 액체는 낮은 온도에서 전자들이 마치 자유롭게 움직이는 액체처럼 행동하는 금속 상태이다. 전자 상호작용은 약하며, 전자들은 페르미 에너지로 알려진 특정 에너지 수준에 집중된다. 플로케 페르미 액체는 시간 주기적으로 변화하는 외부 힘에 의해 페르미 액체가 영향을 받는 상태이다. 이러한 힘은 전자의 운동에 영향을 미치고 새로운 에너지 상태를 생성할 수 있다. 외부 힘은 특정 주기로 진동하며, 이를 '시간 주기성'이라고 한다. 예를 들면 레이저 빛, 자기장, 전기장 등이 외부의 힘에 해당된다. 또한 외부 힘은 전자의 에너지 스펙트럼에 새로운 에너지 상태를 생성한다. 이러한 새로운 상태는 '플로케 밴드'라고 불린다. 플로케 페르미 액체는 외부 힘에 비선형적으로 응답한다. 다시 말하면, 외부 힘의 크기에 따라 응답의 크기가 비례하지 않다. 외부 힘의 강도에 따라 플로케 페르미 액체는 절연체 또는 초전도 상태 등 다른 물질 상태로 변화할 수 있다. 플로케 페르미 액체의 응용 분야 플로케 페르미 액체는 광전자 소자, 예를 들어 태양 전지 및 LED의 성능 향상에 사용될 수 있다. 또 양자 컴퓨터 구현에 사용될 수 있는 새로운 유형의 큐비트를 제공할 수 있다. 아울러 고온 초전도 현상을 이해하는 데 도움이 될 수 있다. 플로케 페르미 액체는 아직 연구 초기 단계이지만, 다양한 분야에서 혁신적인 응용 가능성을 가지고 있는 흥미로운 물질 상태이다. 소데만 빌라디에고 교수는 "우리 논문에서는 이러한 유체 상태의 몇 가지 특성을 설명한다"면서 "이를 연구하기 위해서는 빛에 의해 흔들리는 전자의 복잡한 상태에 대한 상세한 이론적 모델을 개발해야 했는데, 이는 결코 쉬운 일이 아니다"고 말했다.
- 포커스온
2024-05-07
[신소재 신기술(42)] 플라스틱 폐기물 90% 분해하는 혁신 기술

과학자들은 우리 시대 가장 심각한 환경 문제 중 하나인 플라스틱 오염을 해결하기 위한 독창적인 방법을 제시했다. 미국 캘리포니아 대학교 연구팀이 플라스틱을 먹는 매우 강한 포자가 함유된 플라스틱이 매립지에서 스스로 분해되는 기술을 개발했다고 네이처닷컴과 BBC, 뉴아틀라스 등 다수 외신이 집중 조명했다. 이 연구에서는 고온 용융 압출을 사용해 폴리머 분해 박테리아의 포자를 열가소성 폴리우레탄에 통합하는 바이오 복합재 제작을 시연했다. 플라스틱의 한 종류인 폴리우레탄은 강도와 탄성이 뛰어나 휴대폰 케이스부터 운동화까지 모든 제품에 사용되지만 재활용이 까다로워 주로 매립된다. 플라스틱에 첨가되는 박테리아의 종류는 식품 첨가물 및 프로바이오틱스로 널리 사용되는 고초균(枯草菌)으로 영문으로는 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)로 불린다. 고초균은 토양과 발효식품 등 다양한 환경에서 발견되는 세균이다. 또한 바실러스 서브틸리스 포자로 채워진 열가소성 폴리우레탄의 전반적인 인장 특성이 크게 개선되어 인성이 매우 향상됐다. 캘리포니아대학교 샌디에이고 라호야 캠퍼스의 김한솔 연구원은 "자연에서 플라스틱 오염을 완화할 수 있다는 희망이 있다"고 말했다. 공동 연구원 존 포코르스키는 "우리의 공정은 소재를 더욱 견고하게 만들어 플라스틱의 수명을 연장한다"고 말했다. 그는 "그리고 이 공정이 완료되면 폐기 방법에 관계없이 환경으로부터 플라스틱을 제거할 수 있다"고 설명했다. 포코르스키 연구원은 "이 플라스틱은 현재 실험실에서 연구 중이지만 제조업체의 도움을 받으면 몇 년 안에 실제 환경에 적용될 수 있을 것"이라고 덧붙였다. 플라스틱은 강하고 다양한 용도로 사용되는 소재지만, 이러한 장점은 폐기 처리를 어렵게 만드는 요인이기도 하다. 플라스틱은 분해되는 데 수십 년 또는 수백 년이 걸리기 때문에 엄청난 양의 플라스틱 쓰레기가 매립지와 바다를 오염시키고 있는 실정이다. 연구팀은 플라스틱에 플라스틱 분해 박테리아 포자를 넣어 매립지에 폐기될 때 활성화되도록 만들었다. 이를 통해 5개월 만에 플라스틱 물질의 90%가 생분해되는 것이 확인됐다. 게다가 '플라스틱 분해 박테리아 포자'를 넣은 플라스틱은 실제로 사용하는 동안 일반 플라스틱보다 더욱 견고하고 강했다. 최근 몇 년 동안 과학자들은 플라스틱을 분해하는 능력을 갖춘 박테리아를 발견하고, 이 과정을 담당하는 효소를 분리하여 효율성을 높였다. 이를 통해 효소와 박테리아로 플라스틱을 처리하는 더 효율적인 재활용 시설이 구축될 수 있다. 하지만 재활용 시설로 옮겨지지 않는 플라스틱은 어떻게 될까. 앞서 지적했듯이 열가소성 폴리우레탄(TPU)은 신발, 스포츠 용품, 휴대폰 케이스, 자동차 부품 등을 만드는데 일반적으로 사용되는 견고한 플라스틱 유형이지만 현재 재활용이 불가능하다. 연구팀은 TPU 폐기 처리를 위해 플라스틱 분해 박테리아 바실러스 서브틸리스의 포자를 플라스틱 자체에 직접 넣는 새로운 방법을 연구했다. 또한 연구팀은 포자를 넣은 플라스틱 제품이 너무 일찍 분해되지 않고, 정상적인 기간 동안 사용한 뒤 매립지나 자연 환경에서 폐기될 때만 생분해가 시작되도록 설계했다. 내열성 미생물로 온도 한계 극복 먼저 극복해야 할 문제는 플라스틱 제조에 사용되는 높은 온도였다. 플라스틱 가공시 사용되는 고온으로 인해 대부분의 박테리아 포자가 죽는다. 연구팀은 이를 극복하기 위해 내열성 미생물을 유전공학적으로 제작했으며, 플라스틱 가공 온도인 135°C(275°F)에서 변형된 박테리아의 96~100%가 생존하는 것을 확인했다. 변형되지 않은 박테리아의 경우 생존율은 겨우 20%에 불과했다. 다음으로 연구팀은 박테리아가 플라스틱을 얼마나 잘 분해하는지 테스트했다. 이 과정은 토양의 영양분과 수분에 의해 시작된다. 플라스틱 무게의 최대 1% 농도에서 박테리아는 퇴비에 묻힌 후 5개월 이내에 플라스틱 물질의 90% 이상을 분해했다. 이 새로운 플라스틱은 사용 중 강도가 약화될 것으로 추정했지만, 실제로는 그 반대 효과가 나타났다. 포자를 넣어 만든 플라스틱은 일반 폴리우레탄(TPU)보다 최대 37% 더 강하고 인장 강도가 최대 30% 더 높은 것으로 나타났다. 연구팀은 포자가 강화 충전재 역할을 하는 것으로 추정했다. 연구팀은 이 기술은 확장 가능성이 높으며, 사용 중 더욱 견고하고 강하면서 재활용이 불가능한 TPU를 폐기 처리하는 새로운 방법을 열 수 있다고 말했다. 이를 다른 몇 가지 방법과 함께 사용한다면 플라스틱 오염 문제 해결에 진전을 이룰 수 있을 것으로 보인다. 플라스틱의 약 80%가 재활용되지 않고 매립지나 자연 환경에 축적되고 있는 실정다. 또한 폴리우레탄(PU)은 세계에서 6번째로 많이 생산되는 플라스틱이지만 재활용을 위한 거버넌스는 없다. PU 폐기물은 수지 식별 코드의 카테고리 7(PETE, HDPE, PVC, LDPE, PP, PS 이외의 기타 플라스틱)에 따라 잠재적으로 수거될 수 있지만, 미국에서는 일반적으로 이 카테고리의 플라스틱 중 0.3%만이 재활용되고 있다. 플라스틱 분해 과정에 박테리아 포자를 결합시킨 것은 산업 공정에서 재생 가능한 폴리머 충전재로서 살아있는 세포를 도입할 수 있는 흥미로운 기회를 제공했다는 평가를 받고 있다. 연구진은 잠재적으로 확장 가능한 이 기술이 재활용할 수 없는 TPU를 폐기하는 새로운 방법을 제시하는 동시에 사용 중에 더 튼튼하고 강하게 만들 수 있다고 말했다. 이 기술을 다른 몇 가지 방법과 결합하면 플라스틱 오염 문제를 해결하는 데 어느 정도 진전을 이룰 수 있을 것으로 기대된다. 이 연구는 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 저널에 발표됐다.
- 포커스온
2024-05-03
[신소재 신기술(41)] 극한의 강도와 인성 가진 혁신적인 합금

미국 버클리 국립연구소 과학자들은 원자 수준에서 합금 결정의 꼬임이나 굽힘으로 인해 극한의 온도에서도 균열이 발생하지 않는 특별한 금속 합금을 발견했다. 과학 전문매체 사이테크데일리는 지난 4월 29일(현지시간) 로렌스 버클리 국립연구소와 UC 버클리의 연구원들이 개발한 신소재에 대해 거의 불가능에 가까운 강도와 인성으로 재료 과학자들에게 충격을 주는 혁신적인 새로운 합금이라고 전했다. 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 하프늄으로 구성된 금속 합금은 지금까지 거의 달성하기 불가능해 보였던 극한의 고온과 저온 모두에서 놀라운 강도와 인성을 보여주었다고 한다. 여기서 강도는 재료가 원래 모양에서 영구적으로 변형되기 전에 견딜 수 있는 힘의 양으로 정의되며, 인성은 파단(균열)에 대한 저항력을 의미한다. 광범위한 조건에서 굽힘과 파단에 대한 합금의 복원력은 더 높은 효율로 작동할 수 있는 차세대 엔진을 위한 새로운 종류의 재료에 대한 문을 열 수 있다고 평가된다. 이전에는 이러한 특성을 동시에 달성하는 것이 거의 불가능하다고 여겨졌다. 이 연구는 로버트 리치(Robert Ritchie) 박사가 이끄는 로렌스 버클리 국립연구소(Berkeley Lab)와 UC 버클리 팀과 디란 아펠리안(Diran Apelian) 교수가 이끄는 UC 어바인 팀, 엔리케 라베르니아(Enrique Lavernia) 교수가 이끄는 텍사스 A&M 대학교 팀의 협력으로 진행됐다. 이 연구는 최근 '사이언스(Science)' 저널에 게재됐다. 이 합금의 특징은 넓은 온도 범위에서 강도과 파손에 대한 놀라운 저항성을 가지고 있다는 것이다. 이는 차세대 엔진을 위한 새로운 소재 개발에 혁신을 가져올 수 있는 가능성을 열어준다. 새로운 금속 합금 RHEA/RMEA 연구팀은 이 합금의 놀라운 특성을 발견하고 원자 구조에서 발생하는 상호 작용으로 인해 이러한 특성이 어떻게 발생하는지 밝혀냈다. 이들은 특히 RHEA/RMEA(Refractory High or Medium Entropy Alloys)라고 불리는 새로운 금속 합금 계열에 속하는 합금에 집중했다. 리치 연구실의 박사 과정 학생인 제1저자 데이비드 쿡(David Cook)은 "열을 전기 또는 추력으로 변환하는 효율은 연료가 연소되는 온도에 따라 결정되며, 온도가 높을수록 더 좋다. 그러나 작동 온도는 이를 견뎌야 하는 구조 재료에 의해 제한된다"고 설명했다. 쿡 연구원은 "우리는 현재 고온에서 사용하는 재료를 더욱 최적화할 수 있는 새로운 금속 재료가 절실히 필요하다. 이 합금이 바로 그 가능성을 보여주는 것"이라고 덧붙였다. 기존 RMEA의 한계 돌파한 뛰어난 인성 대부분의 상업용 또는 산업용 응용 분야에서 사용되는 금속은 하나의 주요 금속에 소량의 다른 원소를 혼합하여 만든 합금이지만, RHEA/RMEA는 매우 높은 녹는점을 가진 금속 원소를 거의 동일한 비율로 혼합해서 만든다. 이로 인해 RHEA/RMEA는 과학자들이 아직 밝혀내지 못한 독특한 특성을 가지고 있다. 리치 박사 팀은 고온 응용 분야의 잠재력으로 인해 수년 동안 이러한 합금을 연구해 왔다. 해당 논문의 공동 저자인 푸닛 쿠마르(Punit Kumar)박사는 "저희 팀은 이전에 RHEA/RMEA에 대한 연구를 진행했으며 이러한 재료가 매우 강하지만 일반적으로 극도로 낮은 인성을 가지고 있다는 것을 발견했다. 따라서 이 합금이 예외적으로 높은 인성을 보이는 것을 발견했을 때 매우 놀랐다"고 말했다. 극한의 온도에서도 강도와 인성 유지 쿡에 따르면 대부분의 RMEA는 파단 인성이 10MPa√m 미만으로, 기록상 가장 부서지기 쉬운 금속 중 하나다. 골절에 견디도록 특별히 설계된 최고의 극저온 강은 이 소재보다 약 20배 더 강하다. 하지만 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 하프늄(Nb45Ta25Ti15Hf15) RMEA 합금은 상온에서 일반적인 RMEA보다 25배 이상의 강도를 기록하여 극저온 강철을 능가할 수 있었다. 연구팀은 -196°C(액체 질소 온도), 25°C(실온), 800°C, 950°C 및 1200°C의 총 5가지 온도에서 새로운 합금의 강도와 인성을 평가했다. 마지막 온도인 1200°C는 태양 표면 온도의 약 1/5에 해당한다. 마침내 연구팀은 합금이 추위에서는 가장 강도가 높고 온도가 상승함에 따라 다소 약해졌지만 여전히 넓은 범위에서 인상적인 수치를 자랑한다는 것을 발견했다. 인성은 기존 균열에 얼마나 많은 힘이 필요한지 계산해서 산출되며 모든 온도에서 높았다. 원자 배열의 비밀 풀기 거의 모든 금속 합금은 결정질이며, 이는 재료 내부의 원자가 반복 단위로 배열되어 있음을 의미한다. 그러나 완벽한 결정은 없으며 모두 결함을 포함하고 있다. 가장 눈에 띄는 결함은 결정 내 원자의 미완성 평면인 전위라고 불리는 결함이다. 금속에 힘이 가해지면 모양 변화를 수용하기 위해 많은 전위가 움직이게 된다. 예를 들어 알루미늄으로 만든 종이 클립을 구부리면 종이 클립 내부의 전위가 움직이면서 모양이 변한다. 그러나 낮은 온도에서는 전위의 움직임이 더 어려워지고, 그 결과 많은 재료가 저온에서 전위가 움직이지 못해 부서지기 쉽다. 타이타닉의 강철 선체가 빙산에 부딪혔을 때 부서진 것도 바로 이 때문이다. 녹는 온도가 높은 원소와 그 합금은 이러한 현상을 극한으로 끌어올려 800°C까지 부서지기 쉽다. 하지만 이 RMEA는 액체 질소(-196°C)와 같은 낮은 온도에서도 잘 깨지지 않는 특성을 보이고 있다. 공동 연구자인 앤드류 마이너와 연구팀은 이 놀라운 금속 내부 특성을 이해하기 위해 버클리 랩 분자 파운드리의 일부인 국립 전자 현미경 센터의 4차원 주사 투과 전자 현미경(4D-STEM)과 주사 투과 전자 현미경(STEM)을 사용해 응력을 받은 샘플과 구부러지지 않고 금이 가지 않은 대조 샘플을 분석했다. 전자 현미경 데이터에 따르면 합금의 특이한 인성은 '꼬임 밴드(kink band)'라는 희귀 결함의 예상치 못한 부작용에서 비롯된 것으로 밝혀졌다. 꼬임 밴드는 가해진 힘으로 인해 결정 조각이 스스로 붕괴되어 갑작스럽게 구부러질 때 결정에 형성된다. 연구팀은 이전 연구를 통해 RMEA에서 꼬임 밴드가 쉽게 형성된다는 사실을 알고 있었지만 연화 효과가 격자를 통해 균열이 퍼지기 쉽게 만들어 재료의 강도를 낮출 것이라고 가정했다. 하지만 실제로는 그렇지 않았다. 쿡은 "우리는 원자 사이에 날카로운 균열이 있는 경우 꼬임 밴드가 실제로 손상을 멀리 분산시켜 균열의 전파에 저항하여 균열을 방지하고 매우 높은 파괴 인성을 이끌어 낸다는 것을 처음으로 보여주었다"라고 말했다. 한편, 리치는 "기계 엔지니어는 실제 세계에서 사용하기 전에 재료의 성능에 대한 깊은 이해가 당연히 필요하기 때문에 Nb45Ta25Ti15Hf15 합금을 제트기 터빈이나 스페이스X 로켓 노즐과 같은 것을 만들기 전에 훨씬 더 근본적인 연구와 엔지니어링 테스트를 거쳐야 한다"고 지적했다.
- 포커스온
2024-05-02
[신소재 신기술(40) 초소형 로봇 '필봇', 내시경 검사 대체할까?

인체 내부를 탐색할 수 있는 알약 크기의 초소형 로봇이 개발돼 내시경 검사에 새로운 장을 열고 있다. 의료 검진에 사용하기 위해 삼킬 수 있도록 설계된 새로운 소형 로봇 카메라가 최근 캐나다에서 열린 학술회의에서 시연됐다. 캡슐형 로봇으로 필봇(PillBot)이라고 불리는 이 전동 내시경 카메라는 신체 외부에서 전자기적으로 원격 조종하여 체내로 이동시킬 수 있다고 러닝 잉글리시 voa뉴스가 보도했다. 개발자들은 이 기기가 기존 내시경 검사를 대체할 수 있기를 기대하고 있다. 이전의 내시경 검사는 전선에 연결된 카메라를 환자가 잠든 상태에서 목을 통해 위로 삽입하는 시술로 수면 내시경으로 불렸다. 필봇은 캘리포니아주 헤이워드에 본사를 둔 엔디텍스(Endiatx)가 개발했다. 미네소타 주 로체스터에 있는 연구 병원인 메이요 클리닉(Mayo Clinic)이 이 프로젝트의 파트너다. Endiatx는 2014년 설립됐으며, 소화기계 및 간 질환 진단을 위한 혁신적인 기술 개발에 중점을 두고 있다. 최초의 전동 내시경 카메라 필봇은 최초의 전동 내시경 카메라로 설계됐다. 개발자들의 설명에 따르면 작동 방식은 다음과 같다. △ 환자는 1일 동안 금식한 후 다량의 물과 함께 캡슐형 로봇을 삼킨다. △ 캡슐형 로봇은 무선 리모컨으로 조종되는 작은 잠수함처럼 작동한다. △ 검사가 끝나면 신체는 다른 고형 폐기물과 같은 방식으로 캡슐형 로봇을 배출한다. 비벡 컴바리(Vivek Kumbhari) 박사는 회사의 공동 설립자이며 메이요 클리닉의 의학 교수이자 위장 및 간 질환 부장이다. 그는 복잡한 의료 서비스를 더욱 접근하기 쉽게 만드는 더 큰 목표를 향한 최신 연구 결과라고 밝혔다. 컴바리 박사는 "만약 내시경 검사를 병원에서 환자 집으로 옮길 수 있다면 우리는 그 목표를 달성했다고 생각한다"며 "이 기기는 더 안전하고 편안한 접근 방식"이라고 말했다. 그는 이 기기는 의료 종사자 수를 줄이고 마취도 필요 없을 것이라고 덧붙였다. 컴바리 박사는 또한 이 기술은 기존 내시경에 비해 더 효율적이며 환자가 질병 진행 초기 단계에 치료를 받을 수 있게 할 것이라고 말했다. 의료 시설 부족한 지역 원격서비스 기대 인디텍스 공동설립자인 알렉스 루브케(Alex Luebke)는 캡슐형 로봇이 의료 센터와 치료 시설이 부족한 시골 지역 사람들을 도울 수 있다고 말했다. 그는 "특히 개발도상국에서는 질좋은 의료 서비스에 접근하기 힘들다"고 말했다. 이어 "이 장치는 모든 정보를 수집하여 원격지에서도 솔루션을 제공할 수 있다"고 말했다. 마이크로 로봇 알약 필은 테스트 중이다. 이는 앞으로 몇 달 안에 미국 식품의약국(FDA)의 승인을 받을 수 있다. 승인되면 필봇은 2026년까지 출시될 수 있다. 이 미세 로봇 캡슐은 현재 테스트 중이며, 앞으로 몇 달 안에 미국 식품의약품국(FDA)의 승인을 받을 수 있다. 승인이 되면 2026년까지 캡슐형 로봇을 사용할 수 있게 된다. 컴바리 박사는 이 미세 로봇 캡슐 기술이 장, 혈관계, 심장, 간, 뇌 및 신체의 다른 부위로 확대될 수 있기를 기대하고 있다.
- 포커스온
2024-04-30
[신소재 신기술(39)] 식염수로 폐전자제품서 희토류 광물 회수

미국 에너지부 산하 태평양 북서부 국립연구소(Pacific Northwest National Laboratory) 연구원들은 폐전자제품에서 망간, 마그네슘, 디스프로슘, 네오디뮴 등 주요 희토류를 선택적으로 회수하는 방법을 개발했다고 마이닝닷컴이 전했다. 연구팀은 간단한 혼합염 수용액과 금속 특성에 대한 지식을 활용하여 연속 흐름 반응로(챔버)에서 이러한 미네랄을 분리할 수 있었다. 두 개의 보완 연구 기사에 자세히 설명되어 있고 시애틀에서 열린 2024 재료 연구 학회(MRS) 춘계 회의에서 발표된 이 방법은 두 개의 서로 다른 액체가 지속적으로 함께 흐르는 화학 반응 챔버에 배치되었을 때 서로 다른 금속의 거동을 기반으로 합니다. 연구팀은 금속이 시간이 지남에 따라 서로 다른 속도로 고체를 형성하는 경향을 이용하여 금속을 분리하고 정제했습니다. 이 방법은 2024년 시애틀에서 열린 재료 연구 학회(MRS) 봄 회의 발표와 함께 두 편의 연구 논문에 상세히 설명되어 있으며, 두 개의 서로 다른 액체가 지속적으로 함께 연속 흐름 반응로(챔버)에서 다른 금속들의 행동을 기반으로 한다. 연구팀은 금속들이 서로 다른 속도로 고체를 형성하는 경향을 이용하여 광물을 분리 및 정제했다. 이 그룹은 2024년 2월에 처음으로 두 가지 필수 희토류 원소인 네오디뮴과 디스프로슘을 혼합 액체에서 성공적으로 분리했다고 보고했다. 기존 분리 방법에 일반적으로 필요한 30시간에 비해 4시간 만에 반응 챔버에서 두 개의 분리되고 정제된 고체가 형성되었다. 두 가지 중요한 광물은 무엇보다도 컴퓨터 하드 드라이브와 풍력 터빈에서 발견되는 영구 자석을 제조하는 데 사용된다. 지금까지 매우 유사한 특성을 가진 이러한 요소를 분리하는 것은 어려운 일이었다. 전자 폐기물에서 이를 경제적으로 회수할 수 있는 능력은 이러한 주요 광물의 새로운 시장과 공급원을 열 수 있다. 이 두 가지 중요 광물은 컴퓨터 하드 드라이브와 풍력 터빈 등에 사용되는 영구 자석 제조에 사용된다. 지금까지는 성질이 매우 유사한 이러한 원소들을 분리하는 것은 어려운 과제였다. 전자 폐기물에서 이들을 경제적으로 회수할 수 있는 능력은 이러한 중요 광물의 새로운 시장과 공급원을 열 수 있다. 마그네슘 공급원인 광산 폐기물과 염수 전자 폐기물에서 광물을 회수하는 것이 이 분리 기술의 유일한 응용 분야는 아니다. 연구팀은 바닷물은 물론 광산 폐기물과 염호 염수로부터 마그네슘을 회수하는 방법을 연구하고 있다. 수석 연구원 친푸 왕(Qingpu Wang)은 보도자료에서 “다음으로 더 많은 양의 제품을 효율적으로 회수하기 위해 원자로 설계를 수정하고 있다”고 말했다. 왕과 그의 동료 엘리아스 나쿠지(Elias Nakouzi)는 보완 기술을 사용해 용해된 리튬 이온 배터리 폐기물을 모방한 용액에서 거의 순수한 망간(>96%)을 회수할 수 있음을 보여주었다. 배터리용 망간은 전 세계적으로 소수의 회사에서 생산되며 주로 음극 또는 배터리의 음극 또는 음극에 사용된다. 본 연구에서 연구팀은 젤 기반 시스템을 사용하여 샘플 내 금속의 다양한 이동 및 반응 속도를 기반으로 물질을 분리했다. 나쿠지는 "이 프로세스의 장점은 간단하다는 것이다"라고 말했다. 그는 "고비용 또는 특수 재료에 의존하는 대신 우리는 이온 거동의 기본 원리를 다시 생각했다. 그리고 거기에서 영감을 얻었다"라고 설명했다. 연구팀은 연구 범위를 확대하고 중요 미네랄과 희토류 원소의 안정적인 국내 공급망을 제공하기 위해 환경 친화적인 새로운 분리 기술을 개발하는 PNNL의 새로운 이니셔티브인 '비평형 수송 구동 분리(NETS, Non-Equilibrium Transport Driven Separations)'를 통해 프로세스를 확장시킬 예정이다. 나쿠지는 "이 접근 방식은 복합적인 공급 흐름과 다양한 화학 성질로부터의 화학 분리와 관련하여 폭넓게 적용될 것으로 예상되며, 이는 더욱 지속 가능한 재료 추출 및 처리를 가능하게 할 것으로 기대한다"라고 말했다.
- 포커스온
2024-04-29
[신소재 신기술(38)] 한국 과학자팀, 상온 상압에서 다이아몬드 최초 합성

한국 기초과학연구원 연구원들이 새로운 액체 금속 합금 시스템을 사용해 상온 상압에서 다이아몬드 합성에 성공했다. 기초과학연구원(IBS)은 다차원탄소재료연구단 로드니 루오프 연구단장 팀이 갈륨, 철, 니켈, 실리콘으로 구성된 액체 금속 합금을 이용해 1기압과 1025°C의 상온 상압 조건에서 다이아몬드를 합성하는 데 세계 최초로 성공했다고 25일 밝혔다. 이 연구는 기존의 다이아몬드 합성 방법을 획기적으로 발전시킬 수 있는 성과라고 사이언스얼럿과 과학기술 웹사이트 Phsy 등에서도 비중있게 다뤘다. 기존의 다이아몬드 합성은 고온 고압(HPHT) 방법을 사용하며, 고온고압 조건을 유지하기 위한 압력 셀 제한 크기 때문에 다이아몬드 크기도 작아서 약 1㎠로 제한된다. 일반적으로 다이아몬드는 액체 금속 촉매를 사용해 '기가파스칼 압력 범위'(일반적으로 5~6GPa, 1GPa는 약 1만 기압)와 1300~1600°C의 고온에서만 다이아몬드를 생산할 수 있다. 천연 다이아몬드는 지하 깊은 곳의 극식한 압력과 온도에서 형성되는 데 수십억년이 걸린다. 합성 다이아몬드는 최대 몃 주 동안 강력한 압착이 필요하다. IBS 연구팀이 이번에 개발한 액체 금속 혼합을 기반으로 한 새로운 방법은 기존 다이아몬드 합성 패러다임을 깨고,1025도 온도 및 1기압 압력 조건에서 처음으로 다이아몬드를 합성했다. 이는 우리가 해수면에서 느끼는 압력과 동일하며 일반적으로 요구되는 압력보다 수만 배 더 낮다. 연구팀은 빠르게 가열과 냉각이 가능한 'RSR-S'라는 냉벽 진공 장치를 자체 제작해 통상 3시간 걸리는 기존 장치들과 달리, 15분이면 끝날 수 있게 했다. RSR-S는 온도와 압력을 빠르게 조절해 액체 금속 합금을 만드는 장치다. 연구팀은 메탄과 수소에서 갈륨 77.75%, 니켈 11.00%, 철 11.00%, 실리콘 0.25%로 구성된 액체 금속 합금을 만들어 하부 표면에서 다이아몬드 구성 물질인 탄소가 성장하는 것을 확인했다. 이 연구는 '네이처(Nature)' 저널 온라인에 게재됐다. 현재 다양한 산업 공정, 전자 제품, 심지어 양자 컴퓨터에 사용되는 대부분의 합성 다이아몬드를 만드는 데 사용되는 공정은 며칠이 걸리며 훨씬 더 많은 압력이 필요하다. 이 새로운 기술이 그 잠재력을 발휘한다면 다이아몬드 제작은 훨씬 더 빠르고 쉬워질 것이다. UNIST 석좌교수이기도 한 루오프 소장은 "이 선구적인 돌파구는 인간의 독창성과 끊임없는 노력, 그리고 많은 공동 연구자들의 협력이 만들어낸 결과"라고 말했다. 연구팀은 "액체 금속을 사용하는 일반적인 접근 방식은 다양한 표면에서 다이아몬드의 성장을 가속화하고 발전시킬 수 있으며 아마도 작은 다이아몬드(씨앗) 입자에서 다이아몬드의 성장을 촉진할 수 있다"라고 썼다. 루오프 소장은 "우리는 대형 챔버(내부 용적이 100리터인 RSR-A 챔버)에서 파라미터 연구를 진행했는데, 공기를 펌핑(약 3분)하고 불활성 가스로 퍼지(90분)한 다음 다시 진공 수준으로 펌프 다운(3분)하여 챔버를 1기압의 매우 순수한 수소/메탄 혼합물로 채우고(다시 90분) 실험을 시작하는 데 3시간 이상 소요되는 시간 때문에 다이아몬드 성장을 위한 파라미터 탐색이 더뎠다!"고 밝혔다. 이어 성원경 박사는 "메탄과 수소의 혼합물에 노출된 액체 금속으로 실험을 시작하고 완료하는 데 필요한 시간을 크게 줄이기 위해 훨씬 더 작은 챔버를 설계하고 제작하도록 요청했다"고 말했다. 성 박사는 "우리가 새로 제작한 시스템 즉, 내부 용적이 9리터에 불과한 RSR-S은 총 15분 만에 메탄/수소 혼합물을 펌핑, 퍼지, 배출, 채우기까지 완료할 수 있다. 매개변수 연구가 크게 가속화되었고, 이를 통해 액체 금속에서 다이아몬드가 성장하는 매개변수를 발견할 수 있었다"라고 설명했다. 제1저자인 얀 공 UNIST 대학원생은 "어느 날 RSR-S 시스템으로 실험을 진행한 후 흑연 도가니를 식혀 액체 금속을 고형화한 후 고형화된 액체 금속 조각을 제거했을 때, 이 조각의 바닥면에 수 밀리미터에 걸쳐 '무지개 무늬'가 퍼진 것을 발견했다. 그 무지개 색이 다이아몬드 때문이라는 사실을 알게 되었다! 이를 통해 다이아몬드의 재현 가능한 성장에 유리한 매개변수를 파악할 수 있었다"라고 말했다. 연구팀은 또 '광 발광 분광법' 실험으로 물질에 빛을 쏘아 방출되는 파장 빛을 준석해 다이아몬드 내 '실리콘 공극 컬러 센터' 구조도 발견했다. 이 구조는 액체 금속 합성 구성요소 중 하나인 실리콘이 탄소로만 이루어진 다이아몬드 결정 사이에 끼어들어 있는 것이다. 실리콘 공극 컬러 센터 구조는 양자 크기의 자성을 가져 자기 민감도가 높고, 양자 현상(양자적인 특성)을 보인다. 그로 인해 향후 나노 크기의 자기 센서 개발과 양자 컴퓨팅 분야의 응용이 기대된다. 논문 공동 저자인 메이후이 왕 박사는 "실리콘 공극 컬러 중심을 가진 이 합성 다이아몬드는 자기 감지 및 양자 컴퓨팅에 응용될 수 있을 것"이라고 말했다. 연구팀은 이러한 새로운 조건에서 다이아몬드가 핵을 형성하고 성장할 수 있는 메커니즘에 대해 심도 있게 연구했다. 시료의 단면을 고해상도 투과전자현미경(TEM)으로 촬영한 결과 다이아몬드와 직접 접촉한 고체 액체 금속에 약 30~40nm 두께의 비정질 표면 영역이 존재하는 것으로 나타났다. 공동 저자인 최명기 박사는 "이 비정질 영역의 상부 표면에 존재하는 원자의 약 27%가 탄소 원자였으며, 탄소 농도는 깊이에 따라 감소하는 것으로 나타났다"고 말했다. 연구팀은 또한 실리콘이 다이아몬드의 새로운 성장에 중요한 역할을 한다는 사실도 발견했다. 합금의 실리콘 농도가 최적 값보다 증가함에 따라 성장한 다이아몬드의 크기는 작아지고 밀도는 높아진다. 실리콘을 첨가하지 않으면 다이아몬드를 전혀 성장시킬 수 없었으며, 이는 실리콘이 다이아몬드의 초기 핵 형성에 관여할 수 있음을 시사한다. 루오프 소장은 "이 액체 금속에서 다이아몬드의 핵 형성과 성장에 대한 우리의 발견은 매우 흥미롭고 기초 과학을 위한 많은 흥미로운 기회를 제공한다. 이제 우리는 핵 형성과 그에 따른 다이아몬드의 빠른 성장이 언제 일어나는지 탐구하고 있다. 또한 탄소와 기타 필요한 원소의 과포화를 먼저 달성한 다음 온도를 빠르게 낮춰 핵 생성을 촉발하는 '온도 강하' 실험도 유망한 연구"라고 말했다.
- 포커스온
2024-04-25
[신소재 신기술(37)] 레이저로 구동되는 초고속 잠수함 개발

중국 하얼빈 공업대학 연구팀은 레이저를 사용해 잠수함을 제트 엔진과 거의 동등한 속력으로 추진하는 기술을 개발 중이라고 주장했다. 하얼빈은 중국 최초의 실험 잠수함 개발 지역이다. 홍콩 매체 사우스 차이나 모닝 포스트(SCMP) 보도에 따르면, 하얼빈 공대 연구팀은 중국의 군사력이 이 획기적인 기술 개발에 임박했다고 밝혔다. 레이저 추진 잠수함 기술의 핵심 원리는 독창적이다. 레이저가 수중에서 플라즈마를 생성해 소위 '폭발 파(detonation wave)'를 만들어 잠수함을 앞으로 나아가게 하는 아이디어가 이 기술의 핵심이다. SCMP에 따르면 일본 연구팀은 20년 전 처음으로 이러한 레이저 추진 방식을 제안했다. 이후 중국에서는 과학자들이 최소 10년 이상 이 기술을 실용화하기 위해 노력해 왔다. 지금까지 레이저 추진 기술의 시도는 대부분 실패했다. 과학자들은 잠수함을 특정 방향으로 밀 수 있는 레이저 출력 실현이 거의 불가능하다는 것을 알게됐다. 하지만 하얼빈 공대 연구팀은 이제 해답을 찾았다고 말했다. SCMP는 이 기술을 사용하는 잠수함은 레이저 출력을 방출하는 아주 얇은 광섬유(머리카락 한 가닥보다 얇은 광섬유)로 코팅되어 있다고 전했다. 연구팀은 중국 광학회에서 발간하는 영문 학술지 '중국 광학학보(Acta Optica Sinica)'의 최근 논문에서 이같이 밝혔다. 연구팀은 코팅 광섬유를 사용하면 단 2메가와트의 레이저 출력만으로 상업용 제트 엔진보다 약간 적은 수치인 최대 7만 뉴턴의 추력을 생성할 수 있다고 주장했다. 추진력 제공 외에도 지향성 레이저 에너지는 수중 투사체 표면을 기포로 덮어 속도를 높이는 '슈퍼 캐비테이션(supercavitation, 고속으로 움직이는 물체 주변에 형성되는 기포로 가득찬 공간)' 현상을 유발할 수 있다. 이론적으로 이를 통해 잠수함은 음속보다 빠르게 이동하고 소나(음파탐지기·SONAR)에 감지되지 않게 할 수 있다. 기계 동력이 없기 때문에 기계적인 소음 진동도 발생하지 않기 때문이다. 소나(SONAR)는 'Sound Navigation And Ranging'의 약자로, 음파탐지기, 음향탐지기 혹은 음탐기라고도 불리며, 음파를 이용해 수중 목표의 방위와 거리를 측정하는 장비이다. 이 소식은 미국이 새로운 수중 무기 기술 연구에 막대한 투자를 하고 있는 중국에게 잠수함 군비 경쟁에서 밀릴 것을 우려하고 있다는 지난해 보도 이후 나온 것이다. 레이저 추진 잠수함이라는 개념은 SF 영화를 떠올리게 하지만, 이러한 기술의 군사적 활용은 주목할 만한 가치가 있다. 퓨처리즘은 이러한 이론적 발전 소식은 미국이 잠수함 개발 경쟁에서 중국에 뒤쳐질 수 있다는 우려를 낳고 있다고 전했다. 중국은 최근 새로운 수중 무기 기술 연구에 많은 투자를 하고 있다. 논문의 프로젝트 리더인 게 양(Ge Yang)은 SCMP가 인용한 논문에서 "이 방법은 수중 무기에도 적용할 수 있으며, 슈퍼 캐비테이션 현상을 일으켜 수중 투사체, 수중 미사일 또는 어뢰의 수중 사거리를 크게 향상시킬 수 있다"고 밝혔다.
- 포커스온
2024-04-24
[신소재 신기술(36)] 완두콩 크기 뇌 임플란트 장치 개발

미국 라이스 대학 엔지니어들은 인간 환자에게 시연된 가장 작은 이식형 뇌 자극기를 개발했다. 이 완두콩 크기의 뇌 임플란트 장치는 '오버 브레인 테라퓨틱(DOT, Digitally programmable Over-brain Therapeutic)'이라고 불리며, 경추막(두개골 바닥에 연결된 보호막)을 통해 뇌를 자극하는데 사용된다고 사이테크데일리가 22일(현지시간) 보도했다. 제이콥 로빈슨의 라이스 연구실과 신경 공학회사 모티프 뉴로테크(Motif Neurotech), 임상의 사미르 셰스(Sameer Sheth) 박사와 수닐 셰스(Sunil Sheth) 박사가 공동으로 개발한 혁신적인 장치 DOT는 선구적인 자기전기 전력 전송 기술 덕분에 외부 송신기를 통해 무선으로 전력을 공급받을 수 있다. 이 장치는 두개골 바닥에 부착된 보호막을 통해 뇌 자극에 사용될 수 있어 의료 분야에 큰 가능성을 보여주고 있다. 디지털 프로그래밍이 가능한 DOT 장치는 현재의 신경 자극 기반 치료법보다 환자의 자율성과 접근성이 뛰어나고 다른 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)보다 덜 침습적인 치료 대안을 제공함으로써 약물 내성 우울증 및 기타 정신과적 또는 신경학적 장애 치료에 혁명을 일으킬 수 있다. 이 연구는 최근 '사이언스 어드밴시즈(Science Advances)' 저널에 게재됐다. 이 뇌 임플란트 장치의 폭은 9mm(밀리미터)이며 14.5v(볼트)의 자극을 전달할 수 있다. 라이스 바이오테크 런치 패드를 통해 설립된 스타트업 모티프 뉴로테크의 설립자이자 CEO인 로빈슨은 "우리의 뇌 임플란트는 이 자기 전기 효과를 통해 모든 에너지를 얻는다"고 말했다. 모티프 뉴로테크는 신경 장애 치료법을 혁신할 수 있는 BCI의 잠재력을 연구하는 여러 신경공학 회사 중 하나다. 로빈슨은 "신경 자극은 약물 부작용과 효능 부족으로 적절한 치료 옵션이 없는 사람들이 많은 정신 건강 분야에서 치료를 가능하게 하는 핵심 기술"이라고 말했다. 연구팀은 이 장치를 인간 환자에게 일시적으로 테스트하여 운동 피질(운동을 담당하는 뇌 부분)을 자극하고 손의 움직임 반응을 생성하는 데 사용했다. 그 다음 연구팀은 돼지를 대상으로 30일 동안 이 장치가 뇌와 안정적으로 상호작용하는 것을 보여주었다. 향후에는 우울증이나 다른 질환을 가진 환자의 실행 기능을 향상시킬 수 있도록 이 장치를 전두엽피질과 같은 뇌의 다른 부위 위에 삽입할 수도 있다. 기존 삽입형 뇌 자극 기술은 피부 아래 다른 부위에 삽입되어야 하는 상대적으로 큰 배터리로 구동되며, 긴 전선을 통해 자극 장치에 연결된다. 이러한 설계상의 한계로 인해 더 많은 수술이 필요하며, 개인에게 더 많은 하드웨어 삽입 부담, 전선 파손 또는 고장 위험, 그리고 향후 배터리 교체 수술이 필요했다. 라이스대학 연구팀은 외부 송신기를 사용하여 무선으로 장치에 전원을 공급함으로써 배터리를 아예 없앴다. 임상 테스트 및 향후 연구 방향 우즈 박사는 "이전에는 이 정도 크기의 임플란트에는 무선 전력 전송이 불가능했기 때문에 경막을 통해 뇌를 자극하는 데 필요한 신호의 품질과 강도가 불가능했다"고 설명했다. 로빈슨 박사는 이 기술을 집에서 편안하게 사용할 수 있을 것으로 기대했다. 의사가 치료를 처방하고 장치 사용에 대한 지침을 제공하지만, 환자가 치료 방법을 완전히 통제할 수 있다는 것. 로빈슨은 "환자가 집에서 모자를 쓰거나 웨어러블을 착용하여 임플란트에 전원을 공급하고 통신하고, 아이폰이나 스마트워치에서 '이동'을 누르면 임플란트의 전기 자극이 뇌 내부의 신경 네트워크를 활성화할 것"이라고 설명했다. 이 장치를 이식하려면 뇌의 뼈에 장치를 삽입하는 최소 침습 30분의 시술이 필요하다. 임플란트와 절개 부위는 거의 보이지 않으며 환자는 수술 당일 퇴원해서 집으로 돌아갈 수 있다. 베일러 의과대학의 교수이자 연구 부의장, 맥에어 장학생, 컬렌 재단 신경외과 기부 석좌인 셰스 박사는 "심장 박동조율기는 심장 치료의 매우 일상적인 부분"이라면서 "신경 및 정신 질환의 경우 무섭고 침습적일 것 같은 뇌심부자극술(DBS)이 이에 해당한다"고 비유했다. 셰스 박사는 "DBS는 실제로 상당히 안전한 시술이지만 여전히 뇌 수술이며, 그 위험성으로 인해 이를 기꺼이 받아들이고 혜택을 받을 수 있는 사람의 수가 매우 제한적이다. 그래서 이런 기술이 필요한 것이다. 외래 수술 센터에서 피부 수술에 지나지 않는 30분 정도의 간단한 뇌 임플란트 시술은 DBS보다 훨씬 더 많은 사람들이 받아들일 가능성이 높다라고 설명했다. 그는 "따라서 이 치료법이 더 침습적인 대안만큼 효과적이라는 것을 보여줄 수 있다면 정신 건강에 훨씬 더 큰 영향을 미칠 수 있을 것"이라고 덧붙였다. 예를 들어 간질과 같은 일부 질환의 경우 장치를 영구적으로 또는 대부분의 시간 동안 착용해야 할 수도 있지만, 우울증이나 강박증과 같은 장애의 경우 하루에 단 몇 분의 자극만으로도 표적 신경 네트워크의 기능에 원하는 변화를 가져올 수 있다. 로빈슨은 다음 단계에 대해 연구 측면에서 "임플란트 네트워크를 만들고, 자극하고 기록할 수 있는 임플란트를 만들어 자신의 뇌 신호를 기반으로 적응형 개인 맞춤형 치료를 제공할 수 있다는 아이디어에 정말 관심이 있다"고 말했다. 한편, 모티프 뉴로테크는 치료법 개발의 관점에서 사람을 대상으로 한 장기 임상시험에 대한 미 식품의약국(FDA) 승인을 받기 위한 절차를 진행 중이다. 이 연구는 로버트 및 제니스 맥네어 재단, 맥네어 의학 연구소, DARPA 및 국립과학재단의 일부 지원을 받았다. ※ 출처: "미니어처 배터리 없는 경막외 피질 자극기" Joshua E. Woods, Amanda L. Singer, Fatima Alrashdan, Wendy Tan, Chunfeng Tan, Sunil A. Sheth, Sameer A. Sheth 및 Jacob T. Robinson, 2024년 4월 12일, Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.adn0858
- 포커스온
2024-04-23

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