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2024-11-25 (월)

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美 MIT 연구원, 흑연에서 금 생성 연구

꿈의 신소재로 불리는 그래핀. 전기전도성과 열전도성을 갖고 있으면서 강도가 높아 디스플레이나 에너지 재료로 사용되고 있다. 그런데 이 그래핀으로 금을 만드는 연구가 진행됐다. 미국 매사추세츠 공과대학(MIT)의 연구팀이 특정 순서로 쌓인 5개의 초박편 조각을 분리해 흑연을 금으로 만들었다. 과학지 마이닝닷컴(mining.com)은 국제학술지 '네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)'에 발표된 MIT 연구팀의 금 생성 과정을 최근 소개했다. 연구에 따르면 생성된 물질이 이전까지 자연 흑연에서 볼 수 없었던 세 가지 중요한 특성을 나타내도록 조정될 수 있다. 흑연은 벌집 구조와 유사한 육각형으로 배열된 단일 탄소 원자층인 그래핀(탄소 동소체 중 하나)으로 구성된다. 약 20년 전에 처음 분리된 이후로 그래핀은 강력한 연구 대상이 되었다. 특히, 약 5년 전 연구자들은 그래핀 시트를 서로 약간의 각도로 비틀어 쌓음으로써, 재료에 초전도성에서 자성에 이르는 새로운 특성을 부여할 수 있다는 사실을 발견했다. 이러한 연구는 '트위스트로닉스' 분야의 탄생으로 이어졌다. MIT의 수석 연구원 롱 주(Long Ju)는 이 연구에 대해 언급하면서, "전혀 비틀지 않아도 흥미로운 특성을 발견했다"고 말했다. 그와 동료들은 특정한 순서로 배열된 5개의 그래핀 층이 물질 내부를 돌아다니는 전자들이 서로 상호작용할 수 있게 한다는 것을 발견했다. 이러한 전자 상관관계(electron correlation) 현상은 새로운 재료 특성을 가능하게 하는 '마법'으로 묘사된다. 단순한 대량의 흑연이나 심지어 단일 그래핀 층은 기본적으로 우수한 전기 전도체에 불과하다. 주 연구원 팀이 분리한 이 재료는 몇십 나노미터 두께밖에 안 되지만, 그 부분들의 합보다 훨씬 더 많은 역할을 수행한다. 연구팀은 '능면체 적층(rhombohedral stacking)'으로 알려진 특정한 순서로 적층된 다층 그래핀을 연구하고 있었다. 연구원은 이에 대해, "5개의 층을 쌓을 때 가능한 순서는 10가지 이상이 있으며, 능면체 적층은 그 중 하나에 불과하다"라고 언급했다. 주 연구원이 2021년에 개발한 특별한 현미경은 나노 규모에서 재료의 다양하고 중요한 특성을 신속하고 상대적으로 저렴한 비용으로 결정하고 분리하는 데 사용됐다. 이 현미경의 도움을 받아, 연구팀은 보론 질화물로 만들어진 '빵'과 같은 구조의 작은 샌드위치에 전극을 부착했고, 이는 펜타레이어(5층) 마름모형으로 쌓인 그래핀의 연약한 '육질(meat)' 부분을 보호한다. 이 전극을 활용해 시스템에 다양한 전압이나 전기량을 적용할 때, 전자 수에 따라 세 가지 다른 현상이 관찰됐다. 주 연구원은 "우리는 재료가 절연성, 자성 또는 위상학적 성질을 가질 수 있음을 발견했다"고 말했다. 위상학적 성질은 도체와 절연체 둘 다와 어느 정도 관련이 있는 특성이다. 기본적으로, 위상학적 물질은 물질의 가장자리를 따라 전자가 방해받지 않고 이동할 수 있게 하지만, 물질의 중간을 통과하는 것은 허용하지 않는다. 이러한 전자들은 재료의 가장자리를 따라 한 방향으로만 이동하며, 물질의 중앙을 가로지르는 중심선에 의해 중간 부분과 구분된다. 결과적으로 위상학적 재료의 가장자리는 완벽한 전도체 역할을 하고, 중앙 부분은 절연체로 작용한다. 롱 주의 연구팀은 "우리의 연구는 마름모형으로 쌓인 다층 그래핀을 사용하여, 위상학적 물리와 관련된 새로운 가능성을 탐구하기 위한 높은 조절 가능성을 가진 플랫폼으로 확립한다"고 말했다.
- 산업
2023-11-10
설탕 대체품 알룰로스, 대량 생산 기술 개발

설탕 대체품 알룰로스 대량 생산 기술이 개발됐다. 미국 매체 뉴아틀라스(newatlas)는 식품과학&기술분야 저명 학술지 '네이처스 npj 음식 과학(Nature's npj Science of Food)'에 게재된 설탕 대체품 알룰로스를 대량 생산할 수 있는 기술에 대해 소개했다. 설탕은 우리 몸에 필요한 에너지를 제공하는 주요 영양소이기도 하지만, 과다하게 섭취하면 체중이 늘거나, 제2형 당뇨병, 심장병 등의 만성질환을 일으킬 수 있다. 알룰로스는 자당보다 약 70% 정도의 당도를 가지고 있으면서도, 열량은 단지 10% 정도이며, 제2형 당뇨병 환자의 혈당 수치를 개선할 수 있다. 다만, 현재의 생산 방법으로는 알룰로스의 생산량이 낮고 품질도 높지 않아, 그 성장 가능성이 제한되고 있다. 그런데 캘리포니아 대학교 데이비스 캠퍼스(UC Davis)의 과학자들이 알룰로스 생산에 대한 중요한 돌파구를 제시했다. 알룰로스의 품질을 높이고 생산량을 증대할 수 있는 방법을 개발해 건강한 설탕 대체품의 가능성을 확대시켰다. 알룰로스는 1그램 당 약 0.4칼로리로, 일반 설탕의 4칼로리에 비해 칼로리가 상당히 낮다. 또한, 단당류로 신체 내에서 다른 신진대사 과정을 거친다. 대장에서 약 70%의 알룰로스가 흡수되며, 이는 24시간 이내에 소변으로 배출된다. 나머지 알룰로스는 대장을 통해 48시간 이내에 몸 밖으로 나온다. 그 결과, 알룰로스는 혈당이나 인슐린 수치에 별다른 영향을 주지 않는다. 현재, 알룰로스는 D-타가토스-3-에피머라아제(D-tagatose-3-epimerase,DTEase)와 D-프시코스-3-에피머라아제(D-psicose-3-epimerase, DPEase)라는 효소를 사용해 프루토스로부터 변환되는 과정을 통해 추출된다. 그러나 이 방법에는 일부 제한적인 요소가 있어, 생산량이 최대 50%에 그치며 순도도 낮게 유지되고 있다. 연구팀은 기존 효소를 개선하여 생산량을 늘리려는 시도를 넘어, 알룰로스를 새로운 방법으로 생산할 방안을 모색했다. 이 과정에서 일반적인 장내 세균인 대장균(E. coli)을 이용한 새로운 생산 방법을 찾아냈다. 이 미생물의 대사 과정을 수정해 포도당을 공급받으면 알룰로스로 변환하도록 했다. 이로 인해 62% 이상의 생산량 증가와 중요한 순도 수준도 달성할 수 있었다. 연구팀은 새로운 생산 방법이 현재 인프라와 생물화학 기술을 사용해 알룰로스 생산을 증대하는 것이 지속 가능하고 경제적이라고 설명했다. 연구자들은 논문에서 "전체 세포 촉매 기술과 인프라는 이미 산업적으로 확립되어 있고, 모델 생물인 대장균은 상업적 식품 생산과 경쟁하지 않는 원료를 사용할 수 있다"고 언급했다. 희귀 설탕인 알룰로스를 대량으로 생산할 수 있는 이 기술은 초가공 식품에 사용될 저칼로리 설탕 대체제를 제공함으로써, 전 세계적으로 증가하고 있는 비만 문제 해결에 기여할 것으로 예상된다. 더불어, 알룰로스의 생산 증가는 의학적으로 중요한 단당류 공급에도 도움을 줄 것으로 보인다. 수정된 대장균은 공급받는 모든 포도당을 소비하므로 현재의 생산 방법에서 필요한 순도 향상을 위한 추가적인 후속 작업이 줄어들 것이 예상된다. 한편, 설탕 대체제로 널리 알려진 감미료에는 스테비아가 있다. 단맛이 강한 대신 칼로리가 없고 체내 흡수가 안 되며 소변으로 그대로 배출되는 것으로 알려졌다. 그러나 스테비아가 장내 미생물 균형에 부정적인 영향을 미친다는 연구 결과도 있다. 에리스리톨 또한 저칼로리 감미료로 알려져 있다. 특정 과일에서 자연적으로 발견되는 설탕 알코올이다. 설탕과는 매우 비슷한 맛을 가졌는데 혈당이나 인슐린 수치를 급등시키지 않는다. 하지만 과도하게 섭취할 경우, 소화에 문제가 생기거나 가스 배출과 설사를 유발할 수 있다. 껌을 통해 잘 알려진 자일리톨도 단맛을 지닌 설탕 알코올이다. 산을 형성하지 않는 천연 감미료이지만 역시 섭취가 지나치면 소화계 부작용이 발생할 수 있다. 이 밖에 몽크푸르트, 사카린 등이 설탕을 대체할 감미료로 알려져 있다.
- 생활경제
2023-11-02
그린란드 빙하, 온도 상승 제어하면 복원 가능하다

기후 변화로 인해 그린란드의 빙하가 빠르게 녹고 있다. 과학자들은 이러한 변화가 지속될 경우 해수면이 상승하여 일부 국가들은 땅이 잠길 위험이 있으며, 다른 국가들은 가뭄과 극심한 무더위에 시달릴 것이라고 경고하고 있다. 미국 매체 뉴저(Newser)는 지구의 온도가 파리 협정의 목표를 초과하여 상승하더라도 특정 조건하에서 빙하가 회복할 수 있다는 '네이처(Nature)'에 게재된 연구 결과를 소개했다. 지구온난화 방지 노력이 필요 없다는 것이 아니라, 온도 상승을 빠르게 제어할 경우 빙하의 복원이 가능하다는 주장이다. 또다른 매체 NPR에 따르면, 역사적으로 두께가 2마일(약 3.2km)에 이르는 밀도 높은 빙하는 몇 차례 큰 변화를 겪었지만 완전히 회복된 적이 있다. 논문의 주 저자인 닐스 보초(Nils Bochow)는 "그린란드 빙하는 우리가 생각했던 것보다 더 탄력적이다"라고 평가했다. 빙하의 회복력은 기후 변화의 정도와 그 영향에 대해 어떻게 대응하는지에 따라 결정될 것이라는 것. 네이처의 보고서에 따르면, 2023년 기후 변화의 기록적인 온도 상승이 산업화 이전에 비해 화씨 3.6도(섭씨 약 -15.7℃)를 초과하지 않을 것으로 파리협정 목표에 부합할 것으로 예상된다. 하지만, 연구팀은 온도가 계속 상승하여 목표치를 초과하더라도, 100~200년 후에 온도가 급격히 하락한다면 빙하는 회복의 기회를 갖게 될 것이라고 예측했다. 보초는 "온도를 일정 시간 동안 제어할 수 있다면, 빙하의 큰 손실을 방지할 수 있다"고 설명했다. 즉, 산업화 이전 대비 지구 온도가 6도 이상 상승해도 몇 세기 내에 온도 상승을 1.5도로 조절할 수 있다면, 빙하 손실을 크게 줄일 수 있을 것이라고 추정했다. 지구의 온도가 앞으로 몇 도 상승되고, 빙하 회복 기간이 얼마나 걸릴지에 대한 확실한 답은 아직 없다. 현재 빙하 녹는 속도는 과거의 환경 조건에 크게 의존하고 있다. 파리협정의 목표 온도에 도달한다면, 시간이 흐름에 따라 빙하는 점차 회복될 가능성이 있다. 그러나 이는 아직 '가정'에 불과하다. '파리협정'은 2015년 유엔 기후 변화 회의에서 채택된 조약으로 195개국이 채택했으며 '파리기후변화협정'이라고도 한다. 2016년 11월 4일부터 국제법으로 효력이 발효됐다. 당시 버락 오바마 전 미국 대통령 주도로 체결된 이 협정은 산업화 이전 수준 대비 지구 평균온도가 2℃ 이상 상승하지 않도록 온실가스 배출량을 단계적으로 감축하는 내용을 담고 있다. 보초는 네이처와의 인터뷰에서 "지금 당장 조치를 취하지 않으면, 우리는 시간과의 싸움에서 밀릴 것"이라면서 "기다릴수록 상황은 더 어려워질 것"이라고 말했다. 그러나 빙하의 회복 가능성이 있지만, 그 이전에 빙하가 녹으면서 다른 지역에서는 여전히 파괴적인 영향을 끼칠 것이 분명하다고 우려했다. 워싱턴 포스트(Washington Post)는 앞서 미국에서 2050년까지 해수면이 약 30.5cm(1피트) 상승할 경우, 해안을 따라 '매우 파괴적인 홍수'가 발생할 가능성이 5배 커질 것이라고 보도했다. 현재 그린란드의 빙하는 매년 약 2700억 톤씩 녹아 내려가고 있어, 해수면이 연간 약 4mm 상승하고 있다. 빙하 전문가 지니 카타니아(Ginny Catania)는 "그린란드에서 녹아 내린 빙하는 이미 해수면 상승의 약 20%를 차지하고 있다. 만약 그린란드의 빙하가 모두 녹아내린다면, 해수면은 약 6m(20피트) 상승할 것"이라고 말했다. 카타니아는 "이것은 인간이 기후 변화에 어떻게 대응해야 하는지에 대한 중요한 고려 요소"라고 덧붙였다.
- 산업
2023-10-27
美 스탠퍼드 대, 질병‧노화 새 지표 '리피돔' 발견

인간의 DNA염기 서열이 분석되면서 불로장생(不老長生)을 향한 과학자들의 노력이 이어지고 있다. 이를 통해 희귀암 환자에게 삶을 연장할 수 있는 희망의 길이 열리고, 질병의 원인이 무엇인지도 밝혀지고 있다. 그러나 이런 것만으로는 신체 활동을 전부 표시하기에는 부족하다. 미국 과학기술 전문매체 사이테크데일리(SciTechDaily)는 스탠퍼드 대학교 과학자들이 건강과 질병, 노화에 대한 새로운 지표인 '리피돔(lipidome)'을 발견했다고 최근 보도했다. 리피돔은 지방이나 오일과 같은 성분을 포함하는 넓은 범주의 분자로, 트리글리세라이드, 콜레스테롤, 호르몬과 일부 비타민을 포함한다. 우리 몸에서는 세포막을 구성하고 세포 전달자 역할을 하며 에너지를 저장하고, 감염에 대응하고 신진대사를 조절하는 데 중요한 역할을 한다. 먼저 리피돔을 이해하기 전에 프로테옴(proteome)에 대한 이해가 필요하다. 게놈이 사람이 지닌 모든 유전 정보의 집합체라면 프로테옴은 특정 세포나 특수 상황에서 만들어지고 작용하는 단백질의 총합을 말한다. 인간의 게놈은 본질적으로 안정적이다. 프로테옴은 건강과 환경의 영향을 받기는 하지만 유전자에 의해 암호화된 내용에 크게 좌우된다. 반면 리피돔은 우리가 먹는 음식과 장 내에 살고 있는 미생물에 의해 직접적으로 변경될 수 있다. 리피돔은 장을 더 유연하게 만들기도 한다. 그러나 지질 분자의 수와 다양성(적어도 수천 개가 있음)으로 인해 연구하기가 어렵다. 스탠퍼드 대학교 FACS 유전학 교수인 마이클 P. 스나이더(Michael P. Snyder) 박사는 "리피돔은 사실상 모든 것과 관련이 있지만, 너무 다양하고 많기 때문에 대부분의 리피돔이 어떤 작용을 하는지 알지 못할 수도 있다"고 지적했다. 스나이더 박사의 연구팀이 2023년 9월11일 학술지 '네이처 메타볼리즘(Nature Metabolism)'에 발표한 새로운 연구는 인간 리피돔에 대해 깊이 파고들어 건강한 상태와 질병에 따른 변화를 추적했다. 이는 제2형 당뇨병의 발병에서 리피돔이 어떻게 변하는지 추적한 최초의 연구 중 하나다. 건강 지표 리피돔 당뇨병 위험이 있는 많은 참가자를 포함한 100명 이상이 건강할 때는 3개월마다 혈액 샘플을 제공하고, 질병이 발생하면 주기적으로 샘플을 제공해 최대 9년 동안 추적했다. 연구팀은 분자 무게와 전하에 따라 화합물을 분리하는 질량 분석 기술을 사용해 약 800개의 리피돔과 인슐린 저항성, 바이러스 감염, 노화 등의 연관성을 기록했다. 연구 결과 모든 사람의 리피돔이 시간이 지나도 안정적으로 유지되는 독특한 특성이 있지만, 특정 유형의 리피돔은 사람의 건강에 따라 예측 가능하게 변한다는 사실을 발견했다. 예를 들어, 목록에 있는 리피돔 중 절반 이상이 인슐린 저항성(신체 세포가 인슐린을 사용하여 혈액에서 포도당을 흡수할 수 없는 경우)과 연관되어 있으며, 이는 제2형 당뇨병으로 이어질 수 있다. 인슐린 저항성은 혈당을 측정해 진단할 수 있지만, 리피돔의 변화를 이해하면 작용 중인 생물학적 과정을 밝혀낼 수 있다. 제2형 당뇨병과 리피돔 이 연구의 공동 저자인 다니엘 호른버그(Daniel Hornburg) 박사는 "질병과 관련된 모든 분자는 메커니즘에 대한 더 많은 정보를 제공하고, 질병 진행에 영향을 미치는 대상으로 작용할 수 있다"고 말했다. 또한, 호흡기 바이러스 감염 과정에서 변동하는 200개 이상의 리피돔을 확인했다. 리피돔의 수준이 상승하고 하락함에 따라 초기 감염 시 체내 고에너지 대사 및 염증을 반영해 질병의 경과를 나타낼 수 있다. 인슐린 저항성을 가진 사람들은 감염에 대한 이러한 반응에서 일부 이상을 보였을 뿐 아니라 백신에 대한 약한 반응도 보였다. 인간의 노화는 사람에 따라 빠르게 진행되기도 하고, 느리게 진행되기도 하다 연구팀은 20~79세까지 참가자의 광범위한 연령 범위와 오랜 연구 기간을 통해 노화에 따라 리피돔이 어떻게 변하는지 확인할 수 있었다. 콜레스테롤과 같은 대부분의 리피돔이 노화에 따라 증가하지만 오메가-3 지방산을 포함한 일부 리피돔은 감소한다는 것을 발견했다. 게다가, 리피돔의 이러한 노화 징후는 모든 사람에게 동일한 속도로 발생하지 않는다. 예를 들어 인슐린 저항은 이러한 변화를 가속화 시키는 것으로 보인다. 공동 저자이자 스나이더 연구실의 또 다른 전 연구원인 시 우(Si Wu) 박사는 "리피돔 프로필은 흥미롭게도 개인이 생물학적으로 더 빨리 또는 더 느리게 노화가 진행되는 것을 예측할 수 있다"고 말했다. 또 일부 리피돔 그룹들이 항산화제로 알려진 세포 신호 전달에 관여하는 에테르 결합 포스파티딜에탈올아민(phosphatidylethanolamines)과 같은 특정 그룹의 리피돔과 건강의 연관성이 얼마나 일관되게 나타나는지를 관찰했다. 이는 건강을 모니터링하거나 새로운 식이 보충제를 섭취하는 데 도움이 될 수 있다. 앞으로 스나이더 연구팀은 이러한 조사에서 얻은 정보를 기반으로 특정 리피돔과 생활방식 변화 사이의 상관관계를 조사할 계획이다. 한편, 일상생활에서 노화를 늦추기 위해서 제일 먼저 균형잡힌 영양과 규칙적인 식사를 하는 것이 좋다. 또한 적게 먹는 소식과 규칙적인 운동, 충분한 수면도 노화를 늦추는 방법이 될 수 있다.
- 생활경제
2023-10-23
원숭이, 유전자 조작 돼지 신장 이식해 2년 생존

돼지의 신장을 이식 받은 원숭이가 2년 이상 생존했다는 실험 결과가 나왔다. 의학 전문 매체 메디컬 익스프레스는 미국에서 유전자를 수정해 원숭이에게 이식했을 때 장기 거부 반응을 감소시키는 연구를 진행했다고 최근 보도했다. 이 연구는 수정된 게놈을 가진 여러 소형 돼지의 신장을 시노몰구스 원숭이에 이식해 거부 반응을 줄일 수 있는지 실험했다. 메릴랜드 의과 대학의 무하마드 모히우딘(Muhammad Mohiuddin) 연구원은 최근 학술지 '네이처(Nature)'에 여러 연구 기관이 연합해서 진행한 해당 실험 연구 결과를 게재했다. 장기 이식은 장기 부전 환자를 치료하는 주요 방법 중 하나이지만, 기증자 장기의 공급이 수요를 충족시키지 못하고 있다. 이에 따라 과학자들은 줄기세포를 이용한 장기 재생, 비생물학적 물질로 장기를 생성, 또는 동물 장기를 이용하는 등의 대체 방안을 모색하고 있다. 인간 기증자의 장기가 아닌 동물 장기 이용 등의 방법은 가능성은 보이고 있지만, 수술 후 장기 거부 반응이라는 문제가 여전히 남아있다. 이에 연구팀은 기증 동물의 유전자를 수정함으로써 이러한 장기 거부 반응을 줄일 수 있는 새로운 방법을 탐구했다. 먼저 연구팀은 돼지 유전자 69개를 수정했다. 이 중 3개는 장기 거부 반응과 관련된 분자의 생성에 관여하며, 59개는 과거 세대의 돼지 유전체에 포함된 역성 바이러스 DNA와 연관되어 있다. 나머지 7개는 불필요한 혈전 형성을 방지하고 건강한 장기 성장을 돕는 인간 유전자를 추가하기 위해 사용됐다. 연구팀은 수정된 유전자를 가진 돼지를 성체로 키운 후, 15마리 돼지의 신장을 원숭이에게 이식했다. 거부 반응을 방지하기 위해 모든 원숭이에게 면역 억제제를 복용했다. 실험 결과 유전자를 수정하지 않은 돼지 신장을 이식받은 원숭이들은 대부분 2개월 미만 생존했다. 유전자 수정된 돼지 신장을 이식받은 원숭이 중 9마리는 2개월 이상 생존했다. 특히 5마리는 1년 이상, 그리고 1마리는 2년 동안 생존했다. 또 이식받은 신장은 원래의 신장처럼 정상적으로 기능했다. 이번 연구는 동물 장기를 인간에게 이식하는 연구 분야에서 중요한 발전을 이루었다는 평가를 받았다. 전 세계적으로 장기 이식을 기다리는 환자는 수백만 명에 이르지만, 기증자가 부족해 많은 환자들이 제때 필요한 이식을 받지 못하고 있다. 동물 장기를 인간에게 이식하는 방법은 이러한 기증자 부족 문제를 해결할 수 있을 것으로 보인다. 그러나 현재의 연구는 동물에 대한 실험 단계에 머물러 있으며, 인간에게 적용하려면 추가 연구가 필요하다. 연구팀은 향후 인간을 대상으로 한 임상 시험을 진행하여, 동물 장기를 인간에게 이식하는 것이 안전한 방법인지를 확인할 예정이다.
- 생활경제
2023-10-23
잠비아서 세계 최고령 목재 구조물 발견…인류 진화 새 단서

잠비아에서 세계에서 가장 오래된 목재 구조물이 발견됐다. 영국 과학저널 '네이처'에 따르면, 잠비아와 탄자니아 국경 근처 칼람보 폭포 상류에서 발견된 목재 구조물은 약 47만 6000년 전의 것으로 세계에서 가장 오래된 유물로 확인됐다. 이 구조물은 두 막대기로 구성되어 있고, 노치로 연결되어 있다. 나무에는 다양한 돌 도구로 만들어진 표시들이 보인다. 이 구조물이 당시 사람들이 식량이나 나무를 저장하는 곳 또는 내부 통로의 토대로 사용되었을 것으로 추정된다. 더욱이, 이 구조물은 주택의 기초로 사용되었을 가능성도 있어 연구자들의 눈길을 끌고 있다. 특히 이 구조물은 현대인의 직계 조상인 호모 사피엔스가 등장하기 훨씬 전에 만들어진 것으로 보여, 인류의 조상과 초기 인류의 생활에 대한 새로운 이해를 제공한다. 이 구조물은 고대 인류가 복잡한 계획을 세우고, 언어를 사용할 수 있었던 높은 수준의 지적 능력을 가지고 있었음을 시사한다. 또한 이 구조물 주변의 풍부한 물과 식량 자원은 초기 석기 시대 인류가 유목 생활보다는 정착 생활을 했을 가능성을 제시하며, 이는 학계의 기존 견해를 재검토하게 만들고 있다. 칼람보 폭포에서 발견된 세계 최고령의 목재 구조물이 한국의 고고학 연구에 중요한 시사점을 제공하게 되었다. 한국에서도 구석기 시대의 목재 유물이 여러 건 발견되고 있으나, 칼람보 폭포에서 발견된 것처럼 보존 상태가 양호한 경우는 상당히 드물다. 이러한 새로운 유물의 발견이 한국의 구석기 시대 연구와 이해를 더욱 풍성하게 해 줄 것으로 기대된다. 연구자들은 이번 발견이 아프리카에서의 목공예 및 초기 인류 기술에 대한 이해를 넓혀줄 것이라고 밝혔다. 또한, 이 구조물이 발견된 상태는 예상외로 매우 양호하여, 지금까지 단순한 기술만을 가진 수렵 채집 사냥꾼으로 여겨졌던 초기 인류인 호미닌이 사실은 더 발전된 건축 기술을 가지고 있었음을 암시하는 중요한 단서가 되었다고 덧붙였다. 석기 시대 목재 유물의 보존이 어려운 이유는 시간이 흐르면서 자연적으로 붕괴하기 때문이다. 그러나 칼람보 폭포에서 발견된 유물은 산소에 노출되지 않은, 물에 젖은 퇴적물 속에서 발견되어 비교적 잘 보존되어 있다. 이번 칼람보 폭포에서의 발견은 인류 진화 연구 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 전망된다. 이는 인류의 초기 조상들이 우리가 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 오래 전부터 고도의 기술과 지식을 갖추고 있었음을 나타내며, 인류 진화에 대한 새로운 통찰을 제공한다.
- 생활경제
2023-10-19
뇌, 수면 중에도 언어자극에 반응

잠자는 동안에도 사람의 뇌는 언어 자극에 반응한다는 연구 결과가 공개됐다. 프랑스 의학 전문매체 메디컬 익스프레스에 따르면, 파리 뇌 연구소(Paris Brain Institute)와 파리 피티에 살페트리에르 대학 병원(Pitié-Salpêtrière University Hospital)의 연구팀은 수면 중에도 단어를 듣고 이해할 수 있다는 연구 결과를 발표했다. 이 연구는 국제 학술지 '네이처 뉴로사이언스(Nature Neuroscience)'에 게재되었다. 연구자들은 수면 중인 사람의 뇌가 주변 환경의 언어 자극에 반응하며, 이는 수면의 정의와 구분에 대한 새로운 의문을 제기했다. 지금까지 수면은 신체와 정신이 완전히 휴식을 취하는 상태로 여겨졌다. 하지만 이번 연구로 인해 수면과 각성 상태 사이의 경계가 생각보다 모호하다는 것이 드러났다. 연구팀은 잠자는 동안 사람들이 언어 정보를 인식하고 이에 물리적 반응을 보이며, 이런 현상이 수면의 다양한 단계에서 일어난다고 밝혔다. 이러한 발견은 잠자는 동안에도 외부 세계와의 연결이 일시적으로 유지된다는 증거가 될 수 있으며, 수면 연구에 새로운 지평을 열어줄 것으로 전망된다. 수면과 각성 경계 모호 이번 연구에서의 새로운 발견은 잠자는 동안의 정신 활동 변화에 대한 이해를 깊게 하고, 잠자는 사람과의 표준화된 의사소통 프로토콜을 개발하는 데 기여할 수 있음을 보여준다. 이를 통해 정상 수면과 병리 수면의 기초를 이해하는 새로운 도구와 방법이 곧 나올 것으로 예상된다. "수면은 일상적으로 경험하는 것이지만, 실제로는 매우 복잡한 현상"이라며 피티에 살페트리에르 대학 병원의 라이오닐 나카체(Lionel Naccache) 박사는 "각성과 수면 사이에는 명확한 경계가 없으며, 다양한 의식 상태가 혼재해 있다."고 설명했다. 수면 연구에서는 각성 상태와 수면 사이의 다양한 뇌 활동을 파악하는 것이 중요하다. 연구 팀은 이러한 중간 상태의 뇌 메커니즘을 이해하려고 노력하고 있으며, 이것이 몽유병이나 수면 마비, 환각 등의 수면 장애와 관련이 있을 수 있음을 발견했다. 연구자들은 뇌파검사 등의 기존 방법으로는 잠자는 동안의 정신 활동을 완벽하게 이해할 수 없다고 지적하며, 수면 중인 사람의 실제 경험과 더 잘 맞는 새로운 연구 방법의 개발이 필요하다고 강조했다. 이런 방법은 수면과 각성의 다양한 단계를 더 정확하게 구분하고 이해하는 데 도움이 될 것으로 기대된다. 무의식과 명쾌함 사이의 놀이 이번 연구에서 연구자들은 수면 장애가 없는 22명과 기면증을 가진 27명을 대상으로 연구를 진행했다. 기면증 환자들은 주로 낮에 통제할 수 없는 졸음을 겪으며, 자각몽을 자주 경험하는 것으로 알려져 있다. 이러한 환자들은 꿈 속에서 자신이 잠들어 있다는 것을 인식하며, 때로는 꿈의 내용을 스스로 조절할 수도 있다. 델핀 오디에뜨(Delphine Oudiette) 박사는 "기면증 환자들은 REM 수면 단계로 빠르게 들어갈 수 있기 때문에, 수면 중 의식의 변화를 연구하기에 적합한 대상이다"라고 설명했다. 연구 과정에서 참가자들은 낮잠을 취하게 했고, '어휘 결정' 테스트를 통해 언어 자극에 대한 반응을 관찰했다. 이 테스트에서 연구자들은 참가자들에게 실제 단어와 가상의 단어를 들려주었으며, 참가자들은 이에 반응하여 각 단어를 구분했다. 이와 같은 실험을 통해 연구자들은 참가자들의 수면 패턴, 뇌 활동, 심장 박동 등을 종합적으로 분석했다. 그 결과, 대부분의 참가자들, 기면증 여부와 상관없이 잠든 상태에서도 언어 자극에 적절하게 반응했으며, 특히 자각몽을 꾸는 경우 이러한 현상이 더 자주 발생했다고 이자벨 아눌프(Isabelle Arnulf) 박사는 밝혔다. 수면의 단절에 도전 연구자들은 생리학적 및 행동적 데이터와 참가자들의 주관적 보고를 종합적으로 분석함으로써 수면 중에 환경과의 상호작용이 언제 가능한지를 예측할 수 있었다. 이러한 상호작용의 가능성은 뇌 활동의 증가와 풍부한 인지 활동과 연관되어 있었다. 라이오넬 나카체 박사는 "자각몽을 경험하는 사람들은 말에 반응하고, 꿈에서 깨어났을 때 그 경험을 더 잘 기억하는 것으로 나타났다. 이러한 사람들은 내부 세계, 그리고 때로는 외부 세계에 대한 더 높은 인식을 가지고 있는 것으로 보인다"고 설명했다. 추가 연구를 통해 이러한 상호작용의 빈도가 수면의 질이나 학습 능력, 또는 특정 수면 장애와 어떤 관련이 있는지 알아볼 필요가 있다. 델핀 오디에뜨 박사는 "자기뇌파검사와 같은 첨단 신경 영상 기술을 사용하면, 수면 중의 뇌 활동과 행동을 더 정확하게 이해할 수 있을 것"이라고 밝혔다. 이번 연구에서 얻은 새로운 데이터는 우리의 수면에 대한 이해를 깊게 하며, 수면이 단순한 휴식 상태가 아니라 활발한 인지 활동이 이루어지는 중요한 시간임을 재조명할 수 있을 것으로 보인다.
- 생활경제
2023-10-15
AI 에너지 효율성 100배 개선⋯클라우드 의존 없는 실시간 나노전자소자 개발

노스웨스턴 대학교 엔지니어들은 가장 에너지 효율적인 방식으로 정확한 머신러닝 분류 작업을 수행할 수 있는 새로운 나노 전자 장치를 개발했다. 12일(현지시간) 미국 매체 노스웨스턴나우(northwestern now)에 따르면 기존 기술보다 100배 적은 에너지를 사용하는 방식으로 실시간으로 인공지능(AI) 작업을 수행할 수 있다. 이 장치의 가장 큰 특징은 클라우드를 이용하지 않고도 대용량 데이터를 실시간으로 처리하고 분석할 수 있는 점이다. 따라서 설치 공간이 협소하고 전력 소비가 적은 웨어러블 기기, 예를 들어 스마트 시계나 피트니스 트래커에 적용하기에 이상적이다. 연구 팀은 이 새로운 나노전자소자의 성능을 확인하기 위해 심전도(ECG) 데이터를 활용해 불규칙한 심장 박동인 부정맥을 진단하는 실험을 진행했다. 실험 결과, 이 장치는 다양한 부정맥 유형을 거의 95%의 높은 정확도로 판별할 수 있었다. 이번 연구 결과는 공학과 의학 분야에서 큰 파장을 일으킬 것으로 보이며, 관련 논문은 12일 '네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)' 저널에 게재됐다. '개인화된 서포트 벡터 머신 분류를 위한 재구성 가능한 혼합 커널 이종 접합 트랜지스터'라는 제목의 이 연구는 미국 에너지부, 국립과학재단, 육군 연구소의 지원을 받아 진행됐다. 이 연구의 선임 저자인 노스웨스턴의 마크 허삼(Mark C. Hersam) 박사는 "오늘날 대부분의 센서는 데이터를 수집한 다음 클라우드로 전송하고, 분석은 에너지 소모가 많은 서버에서 수행된 후 최종적으로 사용자에게 결과를 전송한다"며 "이 접근 방식은 엄청나게 비싸고 상당한 에너지를 소비하며 시간이 많이 걸린다"고 성명했다. 이어 "우리 장치는 에너지 효율이 매우 높아 웨어러블 전자기기에 직접 배치하여 실시간 감지 및 데이터 처리를 할 수 있으므로 건강 응급상황에 보다 신속하게 개입할 수 있다"고 말했다. 나노기술 전문가로 유명한 허삼 박사는 노스웨스턴 맥코믹 공과대학에서 월터 머피 재료과학 및 공학 교수로 활약하고 있다. 또한 재료 과학 및 공학과 학과장, 재료 연구 과학 및 공학 센터 소장, 그리고 국제 나노기술연구소 회원 등 왕성한 역할을 하고 있다. 허삼 박사는 이번 연구를 서던캘리포니아 대학교의 한 왕(Han Wang) 교수, 노스웨스턴 대학교의 비노드 상완(Vinod Sangwan) 연구 조교수와 공동으로 주도했다. 머신러닝 툴은 신규 데이터를 분석하기 전에, 먼저 학습 데이터를 다양한 카테고리에 정확하게 분류하는 과정을 거쳐야 한다. 예를 들어, 사진을 색상별로 분류하는 도구의 경우, 빨간색이나 노란색, 파란색 등 각 사진의 색상을 정확히 식별할 수 있어야 한다. 이러한 작업은 인간에게는 간단하지만, 기계에게는 상당한 에너지를 소모하는 복잡한 작업이다. 현재 실리콘 기반 기술로 심전도와 같은 대규모 데이터 세트를 분류하려면 100개 이상의 트랜지스터를 필요로 한다.이러한 각각의 트랜지스터는 작동과정에서 에너지를 소비한다. 하지만 노스웨스턴의 나노 전자 장치는 단 두 개의 장치로 동일한 머신러닝 분류를 수행할 수 있다. 연구진은 디바이스 수를 줄임으로써 전력 소비를 획기적으로 줄이고 표준 웨어러블 기기에 적용 가능한 훨씬 더 작은 크기의 디바이스를 개발했다. 이 새로운 디바이스의 비결은 다양한 소재를 혼합하여 전례 없는 조정성을 구현한 것이다. 기존 기술은 실리콘을 사용하지만 연구진은 2차원 이황화몰리브덴과 1차원 탄소 나노튜브로 소형화된 트랜지스터를 제작했다. 따라서 데이터 처리 단계마다 하나씩 많은 실리콘 트랜지스터가 필요한 대신, 재구성 가능한 트랜지스터는 다양한 단계 간에 전환할 수 있을 만큼 동적이다. 이번 새로운 디바이스의 성공 비결은 다양한 소재의 혼합과 창의적인 조절 능력에 있다. 기존에는 실리콘을 주로 사용했으나, 이번 연구에서는 2차원 이황화몰리브덴과 1차원 탄소 나노튜브를 활용하여 소형화된 트랜지스터를 구현했다. 이러한 혁신적 접근 방법 덕분에, 각 데이터 처리 단계에 여러 개의 실리콘 트랜지스터를 사용하는 것이 아니라, 하나의 재구성 가능한 트랜지스터만으로도 다양한 단계를 동적으로 전환할 수 있게 되었다. 허삼 박사는 이에 대해 "두 가지 서로 다른 재료를 하나의 디바이스에 통합함으로써, 전류 흐름을 강력하게 조절할 수 있는 동적 재구성이 가능하다"며 "이런 방식으로 단일 디바이스에서도 높은 수준의 조절이 가능해져, 작은 공간과 적은 에너지만을 소비하면서도 정교한 분류 알고리즘 실행이 가능하다"고 덧붙였다. 연구진은 장치를 테스트하기 위해 공개적으로 사용가능한 의료 데이터 세트를 찾았다. 먼저 심전도 데이터를 해석하도록 디바이스를 훈련시켰는데, 이는 일반적으로 숙련된 의료진이 상당한 시간을 들여야 하는 작업이다. 그런 다음 장치에 정상, 심방 조기 박동, 심실 조기 수축, 속도 박동, 왼쪽 다발 분기 블록 박동, 오른쪽 다발 분기 블록 박동 등 6가지 유형의 심장 박동을 분류하도록 요청했다. 연구팀은 장치의 성능을 테스트하기 위해 공개적으로 접근 가능한 의료 데이터 세트를 활용했다. 첫 단계에서 연구팀은 디바이스를 훈련시켜 심전도 데이터를 해석할 수 있도록 하였는데, 이는 일반적으로 전문 의료인력이 상당한 시간을 투입해야 해결할 수 있는 문제였다. 연구팀은 이어서 장치에게 정상 심장 박동, 심방 조기 박동, 심실 조기 수축, 속도 박동, 왼쪽 번치 가지 블록, 오른쪽 번치 가지 블록 등 총 6가지 유형의 심장 박동 패턴을 구분하도록 요청했다. 이렇게 개발된 나노전자 장치는 1만 개의 심전도 샘플을 분석하며 각각의 부정맥 유형을 정확하게 식별할 수 있었다. 또한, 이 장치는 데이터를 클라우드로 전송할 필요가 없어, 환자의 소중한 시간을 절약할 수 있을 뿐만 아니라, 환자의 개인 정보 보호도 가능하다. 허삼 박사는 "데이터가 전송될 때마다 도난당할 위험이 증가한다"고 주장했다. 그는 "개인 건강 정보가 손목 시계와 같은 웨어러블 장치에서 로컬로 처리될 경우, 정보의 도난 위험이 크게 감소한다"고 덧붙였다. 그러면서 이런 방법으로 이 장치가 개인 정보의 보호를 강화하고 정보 유출의 위험을 줄일 것이라고 강조했다. 그는 이러한 나노전자 장치가 향후 웨어러블 기기에 통합되어, 각 사용자의 건강 상태에 맞춰 개인화되며 실시간 애플리케이션에 적용될 것으로 전망했다. 이를 통해 사용자들은 추가적인 전력 소모 없이도 기존에 수집된 데이터를 최적화하여 활용할 수 있을 것으로 보인다고 말했다. 허삼 박사는 "AI 도구들이 전력 소비의 큰 부분을 차지하고 있는 상황"이라며 "현재의 컴퓨터 하드웨어에 계속 의존하는 것은 지속 가능하지 않다"라고 경고했다.
- IT/바이오
2023-10-14
[퓨처 Eyes(6)] SF가 현실로? 금속도 자가 치유한다

금속이 자체적으로 균열을 복구하는 모습이 관찰됐다. 10일(현지시간) 과학 전문 매체 '사이테크데일리'에 따르면, 텍사스 A&M대학교 마이클 뎀코비츠 박사가 예측했던 금속의 자가 치유 현상이 올여름에 발견되어 세계 과학자들을 충격에 빠뜨렸다. 연구 과정에서 아주 작은 백금 조각에 지속적인 스트레칭을 가하자 미세한 균열이 형성됐다. 항공기 사고나 교각 붕괴 등으로 이어지는 '금속의 피로' 현상의 균열 성장을 살펴보기 위해 설계된 이 실험은 처음에는 과학자들의 예상대로 진행됐다. 견고한 금속은 외부의 힘이 반복해서 작용하면 눈에 보이지 않는 미세한 균열이 발생하고, 마침내 부러지게 된다. 그러나 실험도중 예기치 않게, 균열이 더 이상 커지지 않고 오히려 줄어들기 시작하는 금속이 스스로를 '치유 복구'하는 모습이 관찰됐다. 금속의 피로 현상은 교각이나 건축물이 망가지거나, 항공기의 부품 파손 등 기계가 손상되는 주요 원인으로 꼽힌다. 그로 인해 학계는 금속 피로 현상을 스스로 복구하는 소재 개발에 집중해왔다. 미국 샌디아 국립연구소(SNL)의 연구팀은 올 여름 나노 결정질 금속의 균열 실험 중 놀라운 금속 자가치유 현상을 발견했다. 그 결과는 국제 학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다. 금속의 이런 자가 복구 능력은 지금까지 공상 과학 소설에서나 나올 법한 이야기로 여겨졌다. 하지만, 텍사스 A&M 대학의 재료 과학 및 공학부 교수이자 이 연구의 공동 저자인 마이클 뎀코비츠 박사는 그런 가정을 뒤엎는 놀라운 발견을 했다. '금속 피로 복구' 10년 전 예측이 현실로 뎀코비츠 박사와 그의 팀은 10년 전 매사추세츠 공과대학의 조교수 시절 이미 금속의 자가 치유 현상을 예상했다. 당시 뎀코비츠 교수는 일정 조건이 갖춰지면 비록 나노 수준이지만 금속의 균열 복구가 이론적으로 가능하다고 주장했다. 뎀코비츠 박사는 "처음엔 금속의 치유나 복구를 목표로 한 것은 아니다. 저의 제자 구오샹 쉬가 골절에 관한 시뮬레이션을 진행 중이었다"며 회상했다. 이어 "우연히 시뮬레이션에서 금속의 자연 치유 현상을 발견, 이에 대한 추가 연구를 시작하기로 결정했다"고 덧붙였다. 2013년 당시의 연구 결과도 이번만큼이나 눈길을 끌었다. 특수 전자현미경인 투과형 전자 현미경기술이 발달하면서 금속의 나노 스케일 피로 균열 관찰이 가능해진 점도 이 현상을 발견하는 데 도움이 됐다. 뎀코비츠 박사의 공동 연구팀은 금속 피로현상 조사 과정에서 백금의 자가치유 능력을 발견했다. 뎀코비츠 박사는 "진공 상태의 백금 조각에 나노 스케일의 균열을 내고 이를 초당 200회 당겨 군열 변화를 관찰했다며 실험 시작 40분 뒤 백금 표면의 균열이 복구됐다"고 설명했다. 그는 "당시 나와 우리 팀, 동료들까지도 모두 이 이론에 대해 의구심을 가지고 있었다"고 회상했다. 그렇지만, 그의 시뮬레이션은 이후 몇 년 간 여러 연구자들에게 검증되며 확장되어왔다. 뎀코비츠 박사는 "다른 연구자들도 같은 결과를 시뮬레이션에서 확인해, 우리의 모델링에 오류가 없다는 것이 확실해졌다"면서도 "그럼에도 불구하고, 지금까지 실제 실험은 이루어지지 않았다"고 덧붙였다. 2013년의 모델과 최근의 실험에서는 둘다 나노 단위로 결정 구조나 입자 크기가 측정되는 나노결정 금속이 사용됐다. 이 단위는 100만분의 1밀리미터(mm)를 의미한다. 뎀코비츠 박사에 따르면, 이러한 나노결정 금속은 엔지니어링에서는 널리 활용되지 않지만 대다수의 금속을 이 형태로 제작할 수 있다. 뎀코비츠는 나노 결정 금속의 작은 입자 크기 때문에 더 많은 미세 구조적 특징이 있어, 균열 사이의 상호작용이 쉽게 일어난다고 설명했다. 이는 자가 치유 연구를 용이하게 했다. 두 연구에서 모두 입자 경계의 이동 방향이 균열의 치유에 영향을 미친다는 공통점을 발견했다. 뎀코비츠 박사는 이런 특징이 다양한 금속과 합금에서도 확인될 수 있으며, 조절이 가능하다고 말했다. 진공 환경에서 실험 성공 뎀코비츠 박사는 "현재 연구의 주요 성과는 이론적 예측이 단순히 '도면 상의 아이디어'에서 벗어나 실제로 가능하다는 것을 입증한 것"이라고 강조했다. 그는 "아직 우리는 자가 치유를 위한 미세 구조의 최적화 작업에 발을 들이지도 않았다. 어떤 구조적 변화가 금속의 자가 치유를 더욱 촉진시킬지를 파악하는 것은 앞으로의 연구에서의 큰 도전"이라고 말했다. 이 연구의 발전 가능성은 매우 광범위하다. 뎀코비츠는 입자 크기의 더 큰 일반적인 금속에서도 이런 자가 치유 과정이 일어날 수 있을 것이라고 지적하면서, 그에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 밝혔다. 2013년의 이론과 최근 실험 사이의 주요 연결점은 둘 다 외부 물질이 혼입되지 않는 진공 상태에서 이루어졌다. 외부 요소는 금속의 균열 표면이 재결합하거나 냉간 용접 과정을 방해할 수 있기 때문이다. 이런 제한사항에도 불구하고, 이 기술은 우주선 혹은 외부 대기로부터 보호되는 내부 균열처럼 특정 환경에서는 유용하게 활용될 수 있다. 10년이 흐른 지금, 뎀코비츠의 금속 자가치유 초기 이론은 샌디아 국립연구소의 실험을 통해 그 가치가 입증됐다. 이번 연구를 통해, 뎀코비츠는 최근에 관찰된 결과가 그의 초기 시뮬레이션 모델과 일치함을 확인할 수 있었다. 뎀코비츠 박사는 "이 실험은 진정으로 놀랍다. 이론적 측면에서도 의미가 크다"고 말했다. 그는 "물질의 복잡한 특성으로 인해 자신있게 새로운 현상을 예측하는 것은 종종 매우 어려운 일이다. 이번 발견은 물질의 반응에 대한 우리의 이론적 접근이 옳은 방향을 향하고 있다는 확신을 갖게 해준다"고 말했다. '퓨처 아이즈(Future Eyes)'는 지금까지 경험하지 못한 혁신 기술이 어떻게 새로운 세상을 창조하는지 탐색한다. 애플의 아이폰은 휴대폰 산업의 판도를 바꾸었으며, 오픈AI의 챗GPT는 AI의 유행을 일으키며 우리의 일상과 기업 환경에 변화를 가져왔다. 메타버스부터 플라잉카, 휴머노이드 로봇, 양자 컴퓨팅, 핵 융합에 이르기까지, 이 시리즈는 혁신적인 기술과 그것이 우리 생활에 미치는 영향을 짚어본다.
- 포커스온
2023-10-12
신비한 핑크 다이아몬드, 희귀한 이유는?

누구나 한 번쯤은 사랑하는 연인이나 결혼 기념일 또는 특별한 순간을 기념하기 위해 다이아몬드를 선물하거나, 혹은 선물 받고 싶다는 생각을 한다. 다이아몬드는 그 자체로 귀중한 보석으로 알려져 있지만, 그 중에서도 핑크 다이아몬드는 특별한 가치를 지닌다. 최근 프랑스의 매체 푸투라(FUTURA)는 이 희귀한 핑크 다이아몬드의 신비한 기원에 대한 연구결과를 보도했다. 다이아몬드의 희소성은 그것이 형성되는 극도의 환경 때문이다. 이런 보석은 지구 내부 약 140~190km 깊이에서 극도의 온도와 압력 속에서 수십억 년 동안 천천히 형성된다. 푸투라에 따르면, 이러한 고유한 형성 과정이 다이아몬드의 가치를 높여준다. 특히, 핑크 다이아몬드는 10만 개의 다이아몬드 중 단 하나만이 가지는 독특한 색상으로, 그것만으로도 특별한 보석임을 확인시켜 준다. 핑크 다이아몬드는 전 세계 몇 안 되는 광산에서만 발견되며, 그 중 호주의 아가일 광산은 시장에 공급되는 핑크 다이아몬드의 약 90%를 생산하고 있다. 호주에 위치한 이 고대 화산에는 특별한 특징이 있다. 이 광산은 일반적인 경우처럼 킴벌라이트[반상조직의 초고철질(ultramafic) 화성암으로 칼륨의 함량이 매우 높다]가 아니라 램프로이트(150km를 초과하는 깊이에서 부분적으로 녹은 맨틀에서 형성되는 암석) 화산 도관에서 채취된 것이다. 이 화산암이 형성된 지질과정은 아직 미스터리한 채로 남아 있다. 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 등재된 연구 결과에 따르면, 아가일 램프로이트는 약 13억년 전 형성됐을 것으로 추정된다. 이는 이전까지 추정되던 시기보다 1억년 앞선 것이며, 바로 이 점이 광산의 형성 이해에 큰 영향을 미칠 것으로 보인다. 아가일이 위치한 지구상에서 가장 오래된 대륙 중 하나인 킴벌리 대륙과 북부 오스트레일리아 대륙의 접합 지대는 오래전부터 알려진 지역이다. 이 지점은 약 18억년 전, 세계에서 가장 고대의 대륙 중 하나인 누나(Nuna) 형성 과정에서 생겨났다. 핑크 다이아몬드의 형성에는 극도의 지각압이 필요하다고 여겨진다. 이러한 조건은 아가일 지역에서 충족됐을 것이다. 그렇지만, 이 귀한 다이아몬드가 어떻게 지표면까지 올라왔는지는 아직 풀리지 않았다. 최근 연구에 따르면, 아가일 램프로이트는 대략 13억년 전에 형성되었을 것으로 추정되며, 이는 초대륙 분열의 시작과 일치한다. 그러나 아가일 지역의 분열은 완전히 이루어지지는 않았다. 지각이 매우 얇아진 결과로 마그마가 지표로 상승했고, 이 과정에서 지구 깊은 곳에서 형성된 핑크 다이아몬드가 표면으로 올라 온 것으로 추정된다. 이런 지리적 특징은 앞으로 전 세계에서 새로운 광산 위치를 파악하는 데 중요한 단서가 될 수 있다. 한편, 다이아몬드 산업은 광업에서 더 넓은 제조업 영역으로 확장되고 있다. 금속 촉매제인 철과 니켈을 탄소 파우더에 첨가하여 고온 및 고압에서 다이아몬드 '씨앗'을 합성하는 방법이 개발됐다. 이 합성 다이아몬드 제조 기술을 보유한 국가로는 인도, 중국, 한국 등 총 8개국이 있다. '랩그로운 다이아몬드'라는 이름으로 알려진 이 인공 다이아몬드는 천연 다이아몬드보다 가격이 경제적이다. 환경에 미치는 영향도 크게 줄일 수 있어서 인공 다이아몬드에 대한 수요가 크게 증가하고 있다.
- 생활경제
2023-10-05
청색 OLED, 고효율 상향변화 ⋯전력 수요 대폭 낮춰

새로운 OLED(유기발광다이오드) 전력 절감 기술이 세상에 나왔다. OLED는 색상 왜곡 없이 정확하게 표현 가능하며, LCD(액정디스플레이) 대비 낮은 전력 소모와 빠른 응답 속도로 잔상 없이 동영상 재생이 가능한 점에서 큰 주목을 받고 있다. 이번에 개발된 기술은 OLED를 훨씬 적은 전력으로 원하는 밝기까지 높일 수 있게 만드는 것으로, 디스플레이 산업에서 큰 혁신으로 평가받고 있다. 미국의 산업 전문지 '핵스터(Hackster)'는 최근에 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재된 연구를 인용, 청색 OLED가 100cd/m²(칸델라 매 제곱미터)의 밝기를 얻기 위해 필요한 전력이 기존의 절반만으로도 가능하다는 내용의 에너지 효율적인 OLED 개발 사례를 전하며, 이 기술의 중요성을 강조했다. 도쿄공업대학과 오사카대학, 일본과학기술진흥원(JST), 도야마대학, 시즈오카대학, 분자과학연구소의 연구팀이 함께 연구한 결과, 청색 OLED의 전력 효율성이 크게 개선되었다. 이 연구팀은 청색 OLED가 100cd/m²의 밝기를 얻기 위해 오직 1.47V의 전력만 필요로 하는 에너지 효율적인 기술을 선보였다. 이 수치는 다른 경쟁사 제품의 요구 전력의 절반에 불과하다. 휘도를 나타내는 국제 단위인 칸델라 매 제곱미터(cd/m²)는 단위 면적당 빛의 양을 측정할 때 주로 사용되며, 디스플레이의 밝기를 표현하는 데 핵심적인 역할을 한다. OLED는 선명하고 밝은 화면 표현으로 큰 인기를 얻고 있지만, 비용이 많이 드는 문제점이 있었다. 특히 빨간색과 녹색 OLED의 제작은 상대적으로 용이했으나, 청색은 그렇지 않았는데, 이번 연구로 그 문제점이 해결될 수 있을 것으로 보인다. 연구팀은 "풀 컬러 디스플레이를 위해서는 청색 OLED가 필수적이며, 이는 빨간색과 녹색 기기보다 전력 소모가 월등히 높다"라고 설명했다. 또한 "일반적으로 100cd/m²의 밝기를 달성하기 위해 약 4V의 전압이 필요하지만, 대다수 스마트폰과 태블릿의 배터리는 3.7V의 출력만을 제공하는 상황이다. 우리 연구팀은 이 문제점을 극복했다"고 덧붙였다. 최근에 개발된 청색 OLED 프로토타입은 전원 공급 전압이 단지 1.47V에 불과하며, 기존 설계에 비해 훨씬 낮은 1.97V만으로도 100cd/m²의 밝기를 달성할 수 있다는 것이 특징이다. OLED의 효율성 향상의 비결은 특정 재료의 선별적 사용을 통한 상향 변환 원리에 있다. 이 방식에서는 정공과 전자가 주체 및 수용체 층으로 주입되며, 이후 인터페이스에서 다시 결합하여 전하를 전달한다. 이번 연구를 주도한 도쿄공과대학과 오사카대학의 세이치로 이자와 교수는 "CT 상태의 에너지가 방광체의 밴드갭 에너지보다 낮아, 삼중항(TTA)과 결합된 상향 변환(UC) 메커니즘이 발광체를 구동하는 데 필요한 전압을 크게 줄여준다"고 말했다. 개선된 UC-OLED는 단지 1.97V에서 상업용 디스플레이와 동등한 100cd/m²의 밝기에 도달했다. 그렇지만 이 연구의 세부 로드맵은 아직 공개되지 않았다. 인하대, 고품위 진청색 OLED 소자 개발 한편, 한국 인하대학교의 신소재공학과 이정환 교수 연구팀은 최근 고색순도 및 고효율의 청색 발광 OLED 소자를 성공적으로 개발했다. 이 기술은 발광체 간의 상호작용을 최소화함으로써 진청색을 표현하는 것에 중점을 둔 것이다. 연구 결과, 에너지 전달 효과는 8분의 1로 크게 감소하였으며, 외부 발광 효율은 최대 29%에 도달한 것으로 알려졌다. 연구팀은 발광체 간의 상호작용을 최소화하는 접근법을 통해 진청색을 구현하고자 했다. 이 목적을 달성하기 위해, 트립티센(Triptycene) 분자를 다중 공명 구조를 가진 DABNA 분자에 도입함으로써 고색순도 및 고효율 발광체 특성을 동시에 가진 Tp-DABNA를 개발했다. 이번 연구를 통해 구현된 Tp-DABNA를 기존 DABNA-1 발광체와 비교했을 때 덱스터(Dexter) 에너지 전달 효과를 8분의 1 이하로 줄일 수 있다는 결과를 도출했다. 연구팀은 이를 기반으로 29%의 최대 외부발광효율, 462nm 발광스펙트럼 피크·30nm 이하의 발광 반치폭을 가진 고품위 진청색 OLED 소자를 개발했다고 설명했다. 결국 고색순도를 바탕으로 색공간 CIE1931에서 표현 가능한 색의 범위를 넓혀, 생동감 있는 이미지를 전달할 수 있는 차세대 디스플레이 패널에 적용 가능하다. 이정환 교수는 "최근 융합연구와 공동연구의 중요성이 대두되는 시점에서 울산대 연구팀과 공동연구를 진행해 OLED 디스플레이 분야에서 좋은 연구 성과를 거둬 기쁘다"며 "앞으로도 인하대학교의 우수한 학생들과 차세대 디스플레이·반도체 분야 발전에 도움이 되는 기술 개발에 매진할 계획"이라고 말했다. 한편, OLED시장 세계 1~2위를 달리고 있는 한국의 뒤를 이어, 중국과 대만, 일본이 기술 격차를 줄이며 바짝 추격하고 있다. 이에 한국은 차세대 디스플레이 OLED를 뛰어 넘어 iLED(무기발광) 디스플레이 연구개발에도 힘쏟고 있다.
- 산업
2023-10-05
'역백신', 제1형 당뇨병·크론병 등 자가면역 질병 치료

제1형 당뇨병과 크론병 등 자가 면역질환을 역백신으로 치료하는 연구가 진행중이다. 중추신경계의 탈수초성 질환(demyelinating disease 신경세포의 축삭을 둘러싸고 있는 절연물질인 수초가 탈락되는 질병) 중 가장 흔한 유형인 다발성 경화증과 췌장에서 인슐린이 분비되지 않아 발생하는 제1형 당뇨병, 만성 염증성 장질환인 크론병을 정복할 수 있는 날이 코앞에 다가왔다. 과학기술 전문 매체 '사이테크데일리(SciTechDaily)’에 따르면, 시카고대학 프리츠커 분자공대(PME Pritzker Molecular Engineering) 연구팀이 '역백신(inverse vaccine)'을 개발해 자가면역 반응을 제거할 수 있음을 증명했다. 일반적인 백신은 인간의 면역 체계가 바이러스나 박테리아를 공격해야 할 적으로 인식하도록 만들지만, ‘역백신’은 한 분자에 대한 면역 체계 기억을 제거하는 정반대의 역할을 하도록 했다. 면역 체계 기억을 제거하는 것은 전염병의 경우 바람직하지 않지만 다발성 경화증, 제1형 당뇨병, 류머티즘성 관절염 또는 면역 체계가 사람의 건강한 조직을 공격하는 크론병에서 나타나는 자가면역 반응을 멈출 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다. 최근 국제학술지 네이처 생명의학공학(Nature Biomedical Engineering)에 발표된 논문을 살펴보면, 역백신은 자연 과정에 의해 죽는 세포에 대한 자가면역 반응을 예방하기 위해 간이 자연적으로 세포 분해 생성물을 '공격 금지'로 표시하는 방식을 활용한다. PME 연구팀은 우리 몸의 간이 면역 체계가 공격하는 항원(면역 체계가 공격하는 분자)을 친구로 인식하는 노화된 세포 조각과 유사한 분자와 결합해, 이 백신이 어떻게 다발성 경화증과 유사한 질병과 관련된 자가면역 반응을 성공적으로 막을 수 있는지 보여줬다. 이번 논문의 주 저자인 제프리 허벨(Jeffrey Hubbell) 교수는 "이 연구에서 가장 흥미로운 점은 이미 염증이 진행 중임에도 다발성 경화증과 같은 질병을 치료할 수 있다는 것이며, 이는 실제 상황에서 더 유용하다"고 강조했다. 역백신으로 면역력 억제 면역 체계의 T세포(세포성 면역을 담당하는 림프구의 일종) 역할은 바이러스, 박테리아, 암 등 원치 않는 세포와 분자를 신체의 이물질로 인식해 제거하는 것이다. 그러나 T세포는 건강한 세포를 이물질로 인식하는 실수를 할 수 있다. 예를 들어, 크론병 환자의 경우 면역 체계는 소장 세포를, 다발성 경화증 환자의 경우에는 신경 주변의 보호 코팅인 미엘린을 공격한다. 허벨 교수와 그의 동료들은 면역 반응이 몸 전체의 모든 손상된 세포에 대해 발생하지 않도록 하는 메커니즘을 가지고 있다는 것을 주목했다. 이러한 현상은 간에서 일어나는 말초 면역 관용(Peripheral Immune Tolerance)으로 알려져 있다. 그들은 최근 몇 년 동안 N-아세틸갈락토사민(pGal)으로 알려진 당으로 분자를 태깅하면 이 과정을 모방하여 분자를 간으로 보내서 분자에 대한 내성이 생길 수 있다는 사실을 발견했다. 이 연구는 면역계의 작동 원리를 이해하는 데 크게 기여했으며, 미래의 의학적 치료법 개발에 중요한 토대를 제공한다. 허벨은 "우리가 원하는 분자를 pGal에 부착할 수 있고 면역 체계가 이를 견딜 수 있도록 가르칠 것"이라며 "백신처럼 면역력을 높이는 대신 역백신을 사용하면 매우 구체적인 방식으로 면역력을 억제할 수 있다"고 주장했다. 연구팀은 미엘린 단백질을 pGal에 연결하고 새로운 역백신의 효과를 테스트한 결과, 면역 체계가 미엘린 공격을 중단하고 신경이 다시 올바르게 기능하도록 하며 동물의 질병 증상을 완화시킬 수 있음을 발견했다. 일련의 다른 실험을 통해 과학자들은 동일한 접근 방식이 지속적인 면역 반응을 최소화하는데 도움이 된다는 것을 보여줬다. 제1상 안전임상시험 수행 허벨은 "오늘날 자가면역 질환은 일반적으로 면역 체계를 광범위하게 억누르는 약물로 치료되는데, 이는 매우 효과적일 수 있지만 감염을 막기 위해 필요한 면역 반응도 차단하므로 많은 부작용이 발생할 수 있다":고 지적했다. 대신 역백신으로 환자를 치료할 수 있다면 훨씬 더 구체적이고 부작용도 줄어들 수 있다는 설명이다. 허벨의 pGal 화합물을 사람을 대상을 하기 위해선 더 많은 연구가 필요하지만, 밀, 보리, 호밀 섭취와 관련된 자가면역 질환인 복강병 환자를 대상으로 초기 제1상 안전임상시험이 이미 수행됐다. 현재 다발성 경화증에서 임상시험이 진행 중이다.
- IT/바이오
2023-09-20
AI 드론 '스위프트', 인간 드론 전문가 3명 상대 압승

인공지능(AI) 드론과 숙련된 인간 드론 조종사가 시합을 벌이면 과연 누가 이길까. 2016년부터 시작된 자율 비행 시스템의 연구는 AI 기술의 발전으로 현재에 이르러, 최근 '스위프트(Swift)'라는 AI 드론이 숙련된 조종사 3명을 제치고 드론 경주에서 화려한 승리를 거두었다. 기술 전문 매체 '트렌딩 토픽스(TRENDING TOPICS)'에 따르면, 취리히 대학의 엘리야 카우프만(Elia Kaufmann) 박사를 중심한 연구 팀은 '네이처(Nature)' 저널에 '스위프트'라는 AI 기반 드론 시스템을 발표하며 학계의 주목을 받았다. 이 드론은 시뮬레이션과 현실 세계의 데이터를 결합하여, 세계 최고 수준의 쿼드로콥터 조종 능력을 보여주었다. 연구팀은 AI 드론 '스위프트'와 숙련된 드론 조종사인 드론 레이싱 세계 챔피언 알렉스 바노버(Alex Vanover), 스위스 챔피언을 세 번 차지한 마빈 샤퍼(Marvin Schäpper), 2019년 멀비 GP 우승자 토마스 비트마타(Thomas Bitmatta) 등 3명과 총 25회 경주를 펼쳤다. 그 결과, AI 드론 스위프트는 열다섯 번의 경주에서 인간 조종사들을 앞서 1위를 차지하는 쾌거를 이뤘다. 시합에 참여한 드론 조종사 토마스 비트마타는 "스위프트 드론의 뛰어난 잠재력을 목격하게 되어 감명 받았다"고 전했다. 이러한 연구 성과는 항공 산업을 넘어 자율주행 차량, 항공기, 개인용 로봇 등의 분야에서도 큰 혁신을 가져올 것으로 예상된다. AI 기술의 발전은 앞으로 우리 일상에서 더욱 큰 변화와 기여를 할 것으로 보인다.
- IT/바이오
2023-09-09