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[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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- IT/바이오
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[신소재 신기술(111)] 휴스턴 공대 개발 웨어러블 센서, 눈 움직임으로 뇌손상 진단
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[퓨처 Eyes(51)] 오존층, 서서히 아물고 있다⋯40년 만에 희망의 빛
- 1980년대, 인간이 만들어낸 오염물질로 인해 지구 오존층에 구멍이 뚫렸다는 충격적인 소식이 전 세계를 강타했다. 하지만 40년이 지난 지금, 마침내 오존층이 회복되고 있다는 희망적인 신호가 포착됐다고 데일리메일과 IFL이 전했다. 오존층은 자연적으로 발생하는 오존 가스의 얇은 층이다. 오존 가스는 세 개의 산소 원자로 이루어진 분자로, 태양의 유해한 자외선을 거의 모두 흡수한다. 오존가스는 지상에서 천식 등 폐질환을 앓고 있는 건강상의 문제를 일으킨다. 반면, 상층 대기에 모이면 오존은 지구에 영향을 미칠 수 있는 UV-B 복사선을 흡수한다. 1985년 영국 남극 조사단에 따르면 남극 상공의 오존층에 거대한 구멍이 뚫렸다는 사실이 밝혀졌다. 매년 남반구에 봄이 다가오면 이 구멍이 다시 열리고 자외선이 남극으로 쏟아진다. 남극 오존 구멍은 일반적으로 8월 중순에서 하순에 잘 형성되고, 1년 주기의 일부로 11월 말에 닫힌다. 올해 남극 오존 구멍, 예상보다 작고 늦게 형성 코페르니쿠스 대기 모니터링 서비스(CAMS)의 최근 관측 결과, 올해 남극 상공의 오존 구멍은 예년보다 늦게 형성되었고, 그 크기도 눈에 띄게 작아졌다. 지난 9월 13일 기준, 오존 구멍의 크기는 최근 몇 년 같은 시기보다 무려 1848만 제곱킬로미터나 줄어들었다. CAMS의 올해 새로운 데이터에 따르면 남극 오존층 구멍 형성은 예년에 비해 훨씬 느렸다. 9월에 다 되어서야 오존 구멍이 형성되기 시작했으며, 그 이후에도 오존 구멍의 크기는 상당히 작은 상태를 유지하고 있다. 올해 남은 기간 동안 CAMS는 오존 구멍이 더 빠르게 줄어들기 시작해 12월 초에는 완전히 닫힐 것으로 예측하고 있다. 전문가들은 이러한 변화가 전 지구적인 기상 패턴의 영향일 수 있다고 조심스럽게 분석하면서도, 몬트리올 의정서를 통한 CFC (클로로플루오로카본, Chlorofluorocarbons) 사용 규제 등 인류의 노력이 마침내 결실을 맺고 있다는 긍정적인 전망을 내놓았다. CAMS 책임자인 로렌스 루일은 "남극 오존 구멍 형성에는 화산 활동부터 기후 변화까지 다양한 요인들이 영향을 미치지만, 몬트리올 의정서를 통해 인류가 오존층 회복의 발판을 마련했다"고 강조했다. 오존층은 지상에서 우주로 확장되는 공기 기둥의 오존 양을 나타내는 돕슨(Dobson) 단위라는 측정법을 사용해서 측정된다. 1 돕슨 단위는 해수면 0℃(32°F)에서 0.01mm 두께의 오존층을 만드는 데 필요한 오존 분자의 수를 말한다. 오존층 파괴, 인류와 지구에 치명적 영향 오존층은 태양에서 방출되는 유해한 자외선을 흡수하여 지구상의 생명체를 보호하는 중요한 역할을 한다. 오존층 파괴는 피부암, 백내장 등 인간 건강을 위협할 뿐만 아니라, 농작물 생산량 감소, 해양 생태계 교란 등 지구 전체에 심각한 영향을 미친다. 특히 남극 생태계는 오존 구멍으로 인해 더욱 심각한 자외선 피해에 노출되어 왔다. 남극의 야생 동물인 물개와 펭귄에게 자회선 피해를 입히고 있는 것. 올해 CAMS 데이터에 따르면 남극 지역에서 대부분이 오존층 파괴의 기준인 220돕슨 단위 이상을 유지하고 있는 것으로 나타났다. 이는 2023년 9월 10일까지 오존층 파괴 면적이 2600제곱킬로미터에 달했던 것에 비해 현저히 줄어든 것이다. 40년 내 오존층 완전 회복 기대, 국제 협력의 힘 1987년, 전 세계는 '몬트리올 의정서'를 체결해 오존층 파괴 물질인 CFC 사용을 금지했다. 하지만 이미 발생한 오존층 파괴는 쉽게 회복되지 않았고, 최근까지도 남극 오존 구멍은 심각한 수준을 유지해 왔다. CFC는 에어로졸 스프레이와 냉장고 냉매, 소화기 등에 사용되는 인공화합물이다. 일부 전문가들은 올해 오존층 파괴 속도가 느려진 것이 회복의 신호로 여기지 않는다. 오히려 기온과 바람 패턴의 자연스러운 변화로 극지방 소용돌이가 교한되었기 때문일 가능성이 높다는 지적이다. CAMS 또한 블로그 게시물에서 "평소보다 추운 날씨가 계속된다고 해서 장기적인 기후 추세를 알 수 없는 것처럼 오존층 파괴가 느리게 시작되었다고 해서 반드시 오존층 회복으로 단정할 수 없다"라고 적었다. 그럼에도 이번 연구 결과는 오랜 기다림 끝에 마침내 오존층이 회복되고 있음을 보여준다. 전문가들은 향후 40년 안에 오존층이 완전히 회복될 수 있다는 희망적인 전망을 내놓았다. 로렌스 루일은 "앞으로 40년 안에 오존층이 더욱 회복될 것으로 기대하며, 이는 국제 협력과 과학적 근거를 바탕으로 한 노력이 지구 대기에 긍정적인 변화를 가져올 수 있음을 보여주는 중요한 사례"라고 말했다. 이는 국제적인 협력과 과학적 노력이 지구 환경 문제 해결에 얼마나 중요한 역할을 하는지 보여주는 좋은 사례다. 오존층 회복은 인류와 지구 생태계를 위한 값진 노력의 결실이 될 것이다.
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- 포커스온
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[퓨처 Eyes(51)] 오존층, 서서히 아물고 있다⋯40년 만에 희망의 빛
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[기후의 역습(57)] 과학자들, 기후 변화 대응에 기여할 새로운 목재 유형 발견
- 올 여름 역대급 폭염이 이어진 가운데 튤립나무가 기후 변화에 직접적인 영향을 미치는 탄소 포집 효과가 탁월하다는 연구 결과가 나왔다. 한국 기상청에 따르면 지난 8월 폭염일수는 16일로, 2016년 16.6일에 이어 관련 통계를 집계한 1973년 이래 두 번째로 많았다. 또한 지난달 열대야 수는 11.3일로 통계 집계 이후 처음으로 두자릿수를 기록했다. 오래된 나무와 숲이 이산화탄소를 더 많이 흡수하고, 저장한다는 것은 이전의 여러 연구에서 확인됐다. 튤립나무에 대한 연구에서 탄소포집 잠재력이 큰 새로운 목재 구조가 확인됐다고 사이테크데일리가 11일(현지시간) 보도했다. 폴란드 야기에우워 대학교(Jagiellonian University)와 영국 케임브리지 대학교 연구진은 세계적으로 유명한 나무와 관목들의 목재 미세 구조를 진화적으로 조사하던 중 튤립나무에 대한 연구에서 탄소 포집 잠재력이 큰 새로운 목재 구조가 확인됐다고 사이테크데일리가 11일(현지시간) 보도했다. 연구팀은 목련과의 친척이자 30미터 이상 자라는 튤립나무가 활엽수와 침엽수 어느 쪽에도 속하지 않는 독특한 목재를 가지고 있음을 확인한 것이다. 이 획기적인 발견은 빠르게 성장하는 튤립나무를 조림지에 심어 탄소 격리 효율을 높이는 새로운 가능성을 제시한다. 목재 구조의 새로운 발견 최근 국제학술지 '신식물학자(New Phytologist)'에 발표된 연구에서 연구진은 저온 주사 전자 현미경(cryo-SEM)을 사용하여 수분이 함유된 상태의 목재 세포벽 나노 구조를 이미지화했다. 그 결과, 튤립나무(Liriodendron tulipifera)와 중국 튤립나무(Liriodendron chinense) 두 종의 고대 리리오덴드론(Liriodendron) 속 나무들이 활엽수 친척들보다 훨씬 더 큰 마크로피브릴을 가지고 있음을 발견했다. 마크로피브릴은 2차 세포벽 내 층에 정렬된 긴 섬유를 말한다. 탄소 포집에 대한 함의 연구 책임자인 야기에우워 대학교의 얀 우이차코프스키(Jan Łyczakowski) 박사는 "튤립나무는 침엽수나 할엽수와는 구별되는 중간적인 마크로피브릴 구조를 가지고 있다"며 "튤립나무는 약 300만~5000만년 전 목련나무에서 분기되었는데, 이 시기는 대기 중 이산화탄소 농도가 급격히 감소하던 시기와 일치한다. 이는 튤립나무가 탄소 저장에 매우 효율적인 이유를 설명하는 데 더움이 될 수 있다"고 말했다. 연구팀은 이 '중간 목재' 또는 '축적 목재'의 더 큰 마크로피브릴이 튤립나무의 빠른 성장 뒤에 있는 원인이라고 추측한다. 우이차코프스키는 " 두 종의 툴립나무는 탄소를 매우 효율적으로 포집하는 것으로 알려져 있으며, 확대된 마크로피브릴 구조는 대기 중 탄소 이용 가능성이 감소했을 때 더 많은 양의 탄소를 쉽게 포집하고 저장하도록 돕는 적응일 수 있다"며 "튤립나무는 탄소 포집 조림에 유용하게 활용될 수 있을 것이다. 일부 동남아 국가에서는 이미 튤립나무 조림을 통해 효율적으로 탄소를 포집하고 있으며, 이제 우리는 이것이 튤립나무의 새로운 목재 구조와 관련이 있을 수 있다고 생각한다"고 덧붙였다. 케임브리지 대학교 식물원에서 얻은 진화적 통찰 이 발견은 케임브리지 대학교 식물원의 살아있는 컬렉션에서 33종의 나무를 조사하여 침엽수(소나무, 침엽수 등 겉씨식물)와 활엽수(참나무, 물푸레나무, 자작나무, 유칼립투스 등 속씨식물)에서 목재 초미세구조가 어떻게 진화했는지 탐구하는 과정에서 이루어졌다. 우이차코프스키는 "목재 구조가 어떻게 진화하고 외부 환경에 적응하는지에 대해서는 알려진 바가 거의 없다"며 "이번 조사에서 우리는 이전에 관찰된 적이 없는 완전히 새로운 목재 초미세구조외 전형적인 겉씨식물 침엽수 대신 속씨식물과 유사한 활엽수를 가진 겉씨식물 계통을 발견하는 등 몇 가지 중요한 새로운 발견을 했다"고 말했다. 그는 이어 "목재의 주요 구성 요소는 2차 세포벽이, 건축에 의존하는 목재의 밀도와 강도를 부여하는 것은 바로 이 세포벽의 구조다. 2차 세포벽은 또한 샐물권에서 가장 큰 탄소 저장소이므로, 기후 변화 완화를 돕는 탄소 포집 프로그램을 발전시키기 위해서는 2차 세포벽의 다양성을 이해하는 것이 중요하다"고 덧붙였다. 목재 초미세 구조 목재 초미세구조는 목재의 미세한 구조, 즉 재료 구성 요소의 배열과 조직을 의미한다. 저온 주사 현미경을 사용한 이번 목재 조사는 2차 세포벽, 마크로피브릴 등에 초점을 맞췄다. 2차 세포벽은 주로 셀룰로오스와 기타 복합 당으로 구성되며, 리그닌이 함침되어 전체 구조를 단단하게 만든다. 이러한 구성 요소들은 마크로피브릴을 형성하며. 2차 세포벽 내에 뚜렷한 층으로 배열된 긴 정렬 섬유를 만든다. 마크로피브릴은 현재 저온 주사 현미경으로 측정할 수 있는 가장 작은 구조이며, 두께는 약 10~40나노미터이다. 셀룰로오스 마크로피브릴(3~4나노미터)과 기타 구성 요소로 이루어져 있다. 목재 초미세 구조 연구는 목재 가공, 재료 과학, 나무의 생태 및 진화적 측면 이해 등 다양한 분야에 중요하다. 나무 성장과 목재 침착 뒤에 숨은 생물학적 메커니즘을 이해하는 것은 탄소 포집량 계산에도 유용한 정보를 제공한다. 목재 샘플은 케임브리지 대학교 식물원 컬렉션 코디네이터 마르고 애플(Margeaux Apple)과 협력하여 식물원 내 나무에서 채취했다. 겉씨식물과 속씨식물 개체군이 분기하고 진화함에 따라 그 진화 역사를 반영하기 위해 선별된 나무에서 지난 봄 성장기에 침착된 신선한 목재 샘플을 수집했다. 저온 전자 현미경 사용한 역대 최대 목본 식물 조사 케임브리지 대학교 세인즈버리 연구소 현미경 핵심 시설 관리자인 레이먼드 와이트먼(Raymond Wightman) 박사는 "우리는 자이언트 세쿼이아, 울레미 소나무, 그리고 모든 꽃 피는 식물과 분리되어 진화한 가장 오래된 현존 식물군의 유일한 생존 종인 암보렐라 트리코포다(Amborella trichopoda)와 같은 '살아있는 화석'을 비롯하여 세계에서 가장 상징적인 나무들을 분석했다"고 말했다. 와이트만 박사는 "우리의 조사 데이터는 목재 나노 구조와 세포벽 구성 사이의 진화적 관계에 대한 새로운 통찰력을 제공했으며, 이는 속씨식물과 겉씨식물 계통에 따라 다르다. 속씨식물 세포벽은 겉씨식물에 비해 마크로피브릴이라고 불리는 더 좁은 기본 단위를 가지고 있으며, 이 작은 마크로피브릴은 암보렐라 트리코포다 조상에서 분기된 후 등장했다"고 덧붙였다. 우이차코프스키와 와이트먼은 또한 마황류(Gnetophytes) 계통의 두 겉씨식물인 그네툼속(Gnetum gnemon, 그네툼 그네몬)과 그네툼 에둘레(Gnetum edule)의 세포벽 마크로피브릴을 분석하여 둘 다 속씨식물의 활엽수 세포벽 구조와 동일한 2차 세포벽 초미세 구조를 가지고 있음을 확인했다. 이는 마황류가 일반적으로 속씨식물에서만 볼 수 있는 활엽수 유형 구조를 독립적으로 진화시킨 수렴 진화의 한 예이다. 이 조사는 2022년 영국에서 네 번째로 더운 여름으로 기록된 기간 동안 진행됐다. 와이트먼은 "저온 전자 현미경을 사용한 목본 식물 조사 중 역대 최대 규모일 것"이라며, "세인즈버리 연구소가 케임브리지 대학교 식물원 부지 내에 위치하고 있기 때문에 이처럼 많은 신선한 수화된 목재에 대해 대규모 조사를 할 수 있었다. 우리는 2022년에 모든 샘플을 수집했다. 이른 아침에 샘플을 수집하고, 샘플을 초저온 슬러시 질소에 동결시킨 다음 자정까지 샘플을 이미징했다"고 설명했다. 그는 "이 연구는 식물원이 현대 연구에 기여하는 데 지속적인 가치와 영향을 보여준다. 이 연구는 케임브리지 대학교 식물원 컬렉션에서 같은 장소에서 함께 자라는 진화적 시간을 통해 표현된 다양한 식물이 없었다면 불가능했을 것이다"라고 말했다. 참고문헌: Jan J. Lyczakowski와 Raymond Wightman의 「수렴 및 적응 진화가 종자 식물의 현존 계통에서 2차 세포벽 미세 구조의 변화를 주도했다」, New Phytologist .DOI: 10.1111/nph.19983
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[기후의 역습(57)] 과학자들, 기후 변화 대응에 기여할 새로운 목재 유형 발견
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[퓨처 Eyes(50)] 핵시계, 초정밀 시간 측정의 새로운 지평을 열다
- 상상을 초월하는 정확성, 10억년에 단 1초의 오차도 허용하지 않는 시계가 현실로 다가왔다. 과학자들이 기존 원자시계를 뛰어넘는 핵시계 개발에 성공하며, GPS, 인터넷 동기화, 금융 거래 등 다양한 분야에 혁신을 예고했다. 미국 물리과학 연구기관인 JILA와 국립표준기술원(NIST) 펠로우이자 콜로라도 볼더 대학교 물리학 교수인 준 예(Jun Ye)와 그의 팀이 이끄는 국제 연구팀이 핵시계로 알려진 획기적인 시간 측정 장치를 개발했다. 원자시계 넘어 핵시계로, 시간 측정의 새로운 지평 현재 가장 정확한 시계는 원자시계다. 원자시계는 원자 내 전자의 에너지 변화를 이용해 1초를 정의하고, 1초에 수십억 번 진동하는 신호를 통해 시간을 측정한다. 이번에 개발된 핵시계는 원자핵 내부의 에너지 변화를 이용한다는 점에서 원자시계와 차별화되는 새로운 유형의 시간 측정 장치다. 핵시계는 원자 전체가 아닌 원자핵의 진동을 측정한다. 원자핵은 원자보다 훨씬 작지만, 더 많은 '틱(tick)'을 가지고 있어 더 정확한 시간 측정이 가능하며, 전자기장과 같은 외부 교란에도 안정적이다. 새로운 연구에서 JILA와 그의 연구팀은 핵시계의 모든 필수 부품을 만들었다. 즉 시계의 '틱(tick)'을 제공하는 토륨-229 핵전이, 핵의 개별 양자 상태 사이에 정밀한 에너지 점프를 생성하는 레이저, 이러한 '틱'을 직접 측정하는 주파수 빗 등이다. 연구팀은 이러한 노력으로 이전 파장 기반 측정기보다 100만배 높은 수준의 정밀도를 달성했다. 또한 연구팀은 자외선 주파수를 세계에서 가장 정확한 스트론튬 원자시계 중 하나에 사용되는 광학 주파수와 직접 비교해 핵 전이와 원자시계 사이의 직접적인 주파수를 연결하는데 최초로 성공했다. 이러한 직접적인 주파수 연결과 정밀도 향상은 핵시계를 개발하고 기존 시간 유지 시스템과 통합하는 데 있어 매우 중요한 단계다. 더 작지만 더 강력한 핵시계, 정확성의 한계를 뛰어넘다 원자시계는 수십억 년에 몇 초의 오차만 발생할 정도로 정확하지만, 외부 환경의 영향을 받을 수 있다. 반면, 핵시계는 원자핵의 안정성 덕분에 외부 간섭에 덜 민감하고, 더 높은 주파수에서 진동하여 더 정밀한 시간 측정이 가능하다. JILA 연구팀은 토륨-229 원자핵에 자외선 레이저를 쏘아 핵입자를 여기시키고 '광 주파수 빗' 기술로 핵의 에너지 펄스 주파수를 측정하는 데 성공했다. 이는 일반 시계의 추가 진자 운동을 하는 것과 유사한 원리로, 1초당 더 많은 파동 사이클을 측정하여 더욱 정확한 시간 측정을 가능하게 한다. 이번 연구 결과는 지난 9월 4일자 세계적인 학술지 "네이처' 표지 기사에 게재됐다. 연구팀에는 JILA, 비엔나 양자 과학 기술 센터, IMRA America Inc.의 연구자들이 포함됐다. 물리학의 획기적인 발전, 핵시계 현실화에 한 걸음 더 이번 연구는 핵시계 개발에 중요한 이정표를 세웠다. 1976년 토륨 핵의 저에너지 특성을 발견, 2003년 토륨-299 핵시계 활용 가능성 제시, 2023년 토륨-229 결정 삽입 기술 개발 등 오랜 연구 끝에 마침내 핵시계 프로토타입이 탄생한 것이다. 특히 연구팀은 토륨-229 핵의 에너지 변화를 정밀하게 측정하고, 이를 통해 생성된 신호를 높은 정확도로 측정하는 데 성공했다. 이는 핵시계의 실현 가능성을 입증하는 중요한 성과로 평가받는다. 핵시계, 시간 측정 넘어 과학 혁신 이끌 것 핵시계는 아직 초기 단계지만 상용화될 경우 공식 국제시간 측정뿐만아니라 물리학 연구, 우주 탐사 등 다양한 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대된다. 특히 암흑 물질 탐색, 자연 상수 검증 등 기본 물리학, GPS 정확도 향상, 통신 네트워크 안정화 등에도 활용될 수 있다. 연구팀은 "이번 연구는 핵시계의 가능성을 보여주는 중요한 발검음"이라며 "레이저 정렬 및 주파수 조정 등을 통해 정확도를 더욱 향상시킬 수 있을 것"이라고 밝혔다. 또한 "2~3년 안에 핵시계가 원자시계의 정확성을 능가할 것"이라고 전망했다. 핵시계는 휴대성과 안정성도 뛰어나 통신, 인터넷, GPS 등 일상생활에도 영향을 미칠 것으로 예상된다. 물리학 전문가들은 "핵시계는 시간 측정의 새로운 패러다임을 제시하는 혁신적인 기술"이라며 "기초과학 연구부터 첨단 기술 개발까지 다양한 분야에 파급 효과를 가져올 것"이라고 평가했다. 핵시계, 미래를 향한 새로운 추 원자시계는 이미 지진, 중력장, 시공간 연구에 중요한 도구로 활용되고 있다. 핵시계는 이러한 분야에 더 큰 발전을 가져올 수 있으며, 휴대성과 사용 편의성도 높을 것으로 예상된다. 핵시계와 원자시계를 함께 사용하면 기본 물리 상수의 변화 여부를 확인하고 암흑 물질 연구에도 새로운 가능성을 열 수 있다. JILA와 NIST 물리학자 준 예는 "수십억년 동안 켜두어도 1초도 잃지 않는 손목시계를 상상해보라"며 "아직은 그 수준에 이르지 못했지만 이 연구를 통해 그 수준의 정밀도에 더 가까워졌다"고 말했다. 더 정확하고 안정적인 시간 측정을 향한 인류의 도전은 끝없이 계속된다. 핵시계 기술의 발전은 단순히 시간 측정의 정확성을 높이는 것을 넘어, 더 빠른 인터넷 속도, 더 안정적인 네트워크 연결, 더 안전한 디지털 통신을 제공할 수 있다. 또한 대규모 입자 가속기 없이 입자 물리학 이론을 검증할 수 있으며, 우주 구조 탐사 등 우리가 우주와 자연을 이해하는 방식을 근본적으로 바꿀 수 있는 잠재력을 지니고 있다.
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[퓨처 Eyes(50)] 핵시계, 초정밀 시간 측정의 새로운 지평을 열다
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[우주의 속삭임(55)] 새로운 고밀도 토성 외계 행성 발견
- 인도 아메다바드(Ahmedabad)에 소재한 물리연구소(PRL: Physical Research Lab)의 천문학자들이 통과 외계 행성 조사 위성(TESS: Transiting Exoplanet Survey Satellite) 관찰에서 상대적으로 밀도가 높은 새로운 토성 외계 행성을 발견했다고 PHYS가 전했다. 이 발견은 '천문학 및 천체물리학 저널(Astronomy & Astrophysics journal)'에 발표됐다. TESS는 외계 행성을 찾기 위해 태양 근처에서 가장 밝은 별 약 20만 개를 대상으로 조사를 진행하고 있다. 지금까지 7200개가 넘는 후보 외계 행성(TESS 관심 대상, 또는 TOI)을 찾아냈으며, 그중 545개가 최종 확인됐다. PRL의 산제이 발리왈 천문학자 팀은 이번에 TESS가 모니터링한 또 다른 TOI를 찾아냈다. 그들은 TOI-6651(관심 대상 외계 행성의 번호를 의미)의 빛 곡선에서 통과 신호를 발견했는데, TOI-6651은 약 690광년 떨어져 있으며, 37억 년 된 것으로 추정되는 준거성 G형 별이다. 이 신호의 행성적 특성은 지상 시설을 사용한 후속 관측을 통해 확인됐다. 연구팀은 논문에서 금속이 풍부한 G형 준거성 별을 통과하는 밀도가 높은 토성 외계 행성 TOI-6651 b의 발견과 특성화를 발표했다고 밝혔다. 연구에 따르면 TOI-6651 b의 반지름은 지구 반지름의 약 5.09배이며 질량은 지구의 61배에 달한다. 이는 입방센티미터 당 2.52g 수준의 체적 밀도이며 지금까지 TESS로 감지된 토성 외계 행성 중 가장 밀도가 높다. TOI-6651 b는 또한 0.09의 이심률로 궤도를 5.05일마다 공전하며, 궤도에서 약 0.06AU의 거리를 두고 있다. 행성의 평형 온도는 1493K로 추정된다. 연구팀은 TOI-6651 b의 핵질량이 지구 질량의 약 53배라고 추정했다. 팀은 이 행성이 주로 암석과 철과 같은 밀도가 높은 물질로 구성되어 있으며, 이들 물질이 전체 질량의 약 87%를 차지한다고 예상했다. 나머지 질량은 저밀도 수소와 헬륨 외피로 구성될 가능성이 가장 높다고 밝혔다. 모항성인 TOI-6651의 경우 반지름은 약 1.32 태양 반경이며, 질량은 1.72 태양 질량이다. 이 별의 유효 온도는 5940K이고 금속성은 0.225덱스로 측정됐다. 연구팀은 결과를 요약하면서 TOI-6651 b의 특이한 특성이 알려진 행성 형성 이론에 이의를 제기하고 있다고 강조했다. 천문학자들은 "TOI-6651 b의 존재는 기존의 행성 형성 이론에 도전하는 것으로, 병합 과정이나 조석 가열로 인한 상당한 대기 질량 손실의 결과일 수 있다면서 "이는 대규모 밀도가 높은 토성 외계 형성에서 역학적 과정과 대기 진화의 복잡한 상호 작용일 수 있음을 알려준다"고 결론지었다.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(55)] 새로운 고밀도 토성 외계 행성 발견
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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.
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- 생활경제
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[먹을까? 말까?(60)] 디핑 소스 곁들인 칩, 칼로리 섭취량 77% 증가시켜
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[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.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(53)] 달, 비교적 최근까지 화살 활동 있었다
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[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.
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[신소재 신기술(106)] 스탠퍼드대, 식용 색소로 투명 쥐 만드는 기술 개발 성공
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[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.
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[신소재 신기술(105)] 세계 최고 슈퍼컴퓨터, 칼슘-48 자기적 특성 규명…10년 논쟁 종결
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[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.
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[기후의 역습(51)] NASA, 남극 해저 탐사 로봇 개발⋯해수면 상승 예측 정확도 높인다
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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.
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초고층 빌딩 창문 청소 로봇, 뉴욕에 세계 최초 배치
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[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.
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[기후의 역습(50)] 작년 캐나다 산불, 인도 1년치 탄소 배출량과 맞먹어 '충격'
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[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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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(48)] NASA, 지구 '양극성 전기장' 세계 최초 발견
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[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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[신소재 신기술(103)] AI 분석 통해 '자폐증 코드 해독' 획기적인 진전
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[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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[신소재 신기술(101)] 버섯 곰팡이 전기 자극으로 바이오하이브리드 로봇 제어
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[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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[우주의 속삭임(46)] 화성 운석 200개, 단 5개 분화구에서 지구로
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[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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[퓨처 Eyes(48)]세계 최초, 전자의 움직임 포착하는 '아토현미경' 개발 - 과학계 새 지평 열다
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[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.
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- 포커스온
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[신소재 신기술(98)] 지속가능한 플라스틱? 친환경 대체 소재 개발
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[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.
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[기후의 역습(46)] 태양 복사열의 미세한 변화, 지구 기후 대변혁 일으켰다
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[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.
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[먹을까? 말까?(53)] 하버드 연구, 붉은 육류 속 헴 철분 당뇨병 위험 높여
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