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2025-05-20 (화)

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[ESGC] 지구 지각 속 '청정 수소' 17만 년치 잠자다⋯전 세계에 숨은 에너지 금맥

지구 지각 속에 존재하는 천연 수소가 인류에게 최대 17만 년간 사용할 수 있는 청정 에너지를 제공할 수 있다는 연구 결과가 나왔다. 18일(현지시간) 과학기술 전문매체 사이테크 데일리에 따르면 영국 옥스퍼드대, 더럼대, 캐나다 토론토대 등 국제 공동연구진은 수소가 지하에 자연적으로 생성·축적되는 조건을 규명하고, 이를 산업적으로 탐사할 수 있는 전략을 제시했다. 이번 연구는 세계적 학술지 네이처 리뷰스 지구 및 환경(Nature Reviews Earth & Environment)에 5월 13일자로 발표됐다. 연구진은 "지구의 대륙 지각은 수백만 년에 걸쳐 수소를 생성하고 있으며, 이 중 상당량이 특정 암석층에 축적돼 아직 사용되지 않은 채 존재한다"고 밝혔다. 특히 이번 연구는 수소가 포획되는 암석 유형, 온도, 유체, 지질학적 역사 등을 바탕으로 '탐사 레시피'를 체계화해 업계가 천연 수소를 산업적으로 추출할 수 있는 기반을 마련했다는 점에서 주목된다. 수소는 비료와 정유, 철강 등 산업 전반에서 이미 1350억 달러 규모로 활용되고 있으며, 향후 청정 에너지 전환의 핵심 축으로 시장 규모가 2050년까지 1조 달러에 이를 것으로 전망된다. 하지만 현재 생산되는 대부분의 수소는 화석연료에서 나오며, 이 과정에서 전 세계 탄소배출의 2.4%를 유발하고 있다. 이에 따라 태양광·풍력 기반 수전해나 탄소포집 기술이 대안으로 떠오르고 있지만, 아직 경제성이 부족하다는 한계가 있다. 반면, 천연 수소는 탄소 배출 없이 지구 내부에서 자연 생성되며, 기존 석유·가스 시추 기술을 응용할 수 있어 상업화 가능성이 높다는 평가다. 연구 공동저자인 더럼대 존 글루야스 교수는 "헬륨 탐사 경험에서 얻은 지질학적 탐사 원칙을 수소에도 적용할 수 있다"고 강조했다. 또 토론토대 바버라 셔우드 롤러 교수는 "지하 미생물이 수소를 소비할 수 있어, 미생물이 없는 환경을 탐색 대상으로 삼아야 한다"고 지적했다. 옥스퍼드대 지구과학과 크리스 볼런타인 교수는 "수소 탐사는 정확한 지질 조건의 조합이 필요한데, 이는 마치 수플레 요리와 같다"며, "이 레시피가 상업적으로 반복 가능할 경우, 저탄소 청정수소의 새로운 전환점이 될 수 있다"고 말했다. 연구진은 이번 발견을 바탕으로 천연 수소 탐사 전문 기업 '스노우폭스 디스커버리(Snowfox Discovery Ltd.)'를 설립해 본격적인 상용화에 나설 계획이다. ◇ 참고 문헌: '대륙 지각의 천연 수소 자원 축적' 작성자 크리스 발렌타인(Chris J. Ballentine), 루타 카롤리테, 안란 쳉, 바바라 셔우드 랄라, 존 글루야스, 마이클 데일리, 2025년 5월 13일, Nature Reviews 지구 및 환경. DOI: 10.1038/s43017-025-00670-1
- ESGC
2025-05-19 10:35:00
[신소재 신기술(176)] MIT·하버드 연구팀, AI로 단일 세포 수준 단백질 위치 예측⋯질병 진단·신약 개발 새 길

미국 MIT, 하버드대, 브로드연구소 공동 연구팀이 인공지능(AI)을 활용해 인간 세포 내 거의 모든 단백질의 위치를 예측할 수 있는 신기술을 개발했다. 이 기술은 단백질 이상 분포가 원인이 되는 알츠하이머병, 낭포성 섬유증, 암 등 다양한 질환 진단과 신약 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다. 15일(현지시간) MIT뉴스에 따르면 이번 연구는 단일 세포 수준에서 단백질 위치를 예측할 수 있는 AI 기반 모델 'PUPS(Protein localization Using Protein and cell representationS)'를 중심으로 소개됐다. 해당 연구는 15일 국제 학술지 네이처 메서즈(Nature Methods)'에 게재됐다. 단일 세포 내 단백질 분포 예측⋯기존 한계 돌파 단백질은 세포 내 위치에 따라 기능이 달라지며, 잘못된 위치에 존재할 경우 각종 질병을 유발할 수 있다. 하지만 인간 세포 하나에 존재하는 단백질과 그 변이 수는 7만여 개에 달하며, 실험실에서 이들을 일일이 검출하는 데는 시간과 비용이 과도하게 소요된다. 기존의 AI 기반 예측 모델들은 훈련 데이터로 활용된 단백질 및 세포에 국한된 분석만 가능하거나, 세포 단위 평균치만을 예측하는 데 그쳤다. 이에 반해 PUPS는 개별 단백질 서열 정보와 세포 염색 이미지를 결합해, 실험에 사용된 적이 없는 단백질과 세포에서도 단일 세포 수준의 위치 예측이 가능하다는 점에서 큰 진전을 이뤘다. 단백질 언어모델+영상 AI 결합⋯미지 영역 탐색 PUPS는 두 개의 AI 모델을 결합한 형태로 구성됐다. 첫 번째는 단백질 서열 기반 언어모델로, 아미노산 서열을 통해 3차원 구조와 세포 내 위치 결정에 영향을 미치는 특성을 분석한다. 두 번째는 '이미지 인페인팅(image inpainting)' 기법을 적용한 컴퓨터 비전 모델로, 세포의 핵, 미세소관, 소포체 등 세 가지 염색 이미지를 바탕으로 세포의 형태, 스트레스 상태 등 전반적 특성을 파악한다. 연구진은 이 두 모델이 생성한 정보 표현을 통합해 특정 단백질이 어느 세포 소기관에 위치할지를 시각적으로 예측하는 시스템을 구현했다. 사용자 입장에서는 아미노산 서열과 세포 염색 이미지를 입력하면, 단백질이 존재할 것으로 예상되는 세포 부위를 이미지로 출력받을 수 있다. 단백질-세포 간 조합 없이도 예측 가능⋯신규 치료 타깃 발굴 기대 PUPS의 강점은 기존 데이터에 포함되지 않은 단백질과 세포 간 조합에도 적용할 수 있다는 점이다. 이를 위해 연구진은 모델 학습 시 단백질의 위치를 예측하는 주된 작업 외에, 단백질이 속한 소기관의 이름을 직접 추론하도록 하는 ‘부가 학습 과제’를 부여해 정확도를 높였다. 공동 제1저자인 MIT 시스템생물학 대학원생 Yitong Tseo는 "이전에는 단백질에 직접 염색 시약을 붙이고 실험을 해야만 위치를 알 수 있었지만, 이제는 연구실 벤치에 손대지 않고도 그 과정을 컴퓨터에서 선별적으로 예측할 수 있다"며, 실험 설계의 효율성을 크게 높일 수 있다고 밝혔다. 실제 세포 실험으로 검증…"기존 AI보다 오차 작아" 연구팀은 PUPS의 예측 결과가 실제 단백질 위치와 얼마나 일치하는지를 검증하기 위해 실험실 실험을 병행했다. 비교 대상이 된 기존 AI 모델보다 평균적으로 오차가 적은 것으로 나타났다. 향후 연구진은 PUPS가 단일 단백질이 아닌 다중 단백질 상호작용을 반영할 수 있도록 모델을 확장할 계획이며, 궁극적으로는 배양 세포를 넘어 실제 조직 단위의 예측으로 발전시킬 수 있도록 연구를 지속할 방침이다. 이번 연구는 브로드연구소 산하 에릭 앤 웬디 슈미트 센터와 미국 국립보건원(NIH), 국립과학재단(NSF), 해군연구청(ONR), 에너지부(DOE) 등 주요 기관의 지원을 받아 진행됐다.
- IT/바이오
2025-05-17 11:20:00
[기후의 역습(137)] 2020년 이후 출생 아동 절반, '역대급' 기후 극단현상에 노출

극심한 더위와 가뭄, 산불 등 기후변화로 인한 인류의 장기적 영향이 구체화되고 있다. 최근 국제학술지 네이처(Nature)에 게재된 연구에 따르면, 2020년 이후 태어난 전 세계 아동의 절반 이상이 생애 전례 없는 수준의 기후 극단현상에 직면할 가능성이 높다고 경고했다. 14일(현지시간) 세계경제포럼에 따르면 해당 연구는 산업화 이전 대비 지구 평균기온 상승폭을 1.5도 이내로 억제하더라도, 폭염·가뭄·산불 등 극단적 기후 사건의 평생 노출 빈도는 이전 세대와 비교해 현저히 증가할 것으로 분석했다. 예를 들어, 브뤼셀을 사례로 든 분석에서는 2020년생이 일생 동안 겪게 될 폭염 횟수가 11회에 달할 것으로 추산됐으며, 이는 동일 조건에서 산업화 이전 세대의 3배 수준이다. 연구진은 이러한 노출을 "산업화 이전 기후에서는 1만 분의 1 확률로만 발생하는 정도의 이례적 현상"이라고 정의했다. 특히 사회경제적 취약계층일수록 이 같은 위험에 더욱 크게 노출될 가능성이 높은 것으로 나타났다. 하와이, 기후위기 대응 위해 숙박·크루즈 관광세 인상 추진 한편, 미국 하와이주는 기후변화 대응 재원을 마련하기 위해 '그린 피(Green Fee)' 법안을 통과시켰다. 이 법안은 숙박세를 인상해 기후재난 복구와 환경보호 예산으로 활용하는 내용을 담고 있으며, 현재 주지사의 최종 서명만을 남겨두고 있다. 해당 법안에 따르면, 호텔·리조트·에어비앤비 등 단기 숙박시설에는 기존 숙박세에 0.75%의 추가 세율이 부과된다. 또한 하와이 항구에 정박하는 크루즈 선박에는 최대 11%의 세율이 적용되며, 이는 선박이 머무는 기간에 따라 차등 계산된다. 조시 그린 하와이 주지사는 "하와이는 기후위기에 대응하는 새로운 기준을 제시하고 있다"며, 법안 서명 마감일인 7월 9일 이전에 최종 결정을 내릴 예정이다. 기타 주요 자연·기후 관련 최근 이슈 우리나라도 지난 3월 봄 철 지속된 건조한 날씨로 산청과 의성에서 산불이 발생해 천문학적인 재산 피해를 입었다. 3월 21일 발화해 3월 31일 진화된 산청 산불은 연기가 멀리까지 타고 번져 진주시, 사천시, 광양시 등에서 탄내가 진동하고 미세먼지 농도가 치솟는 등 간접적인 피해를 입었다. 의성 산불은 3월 22일 의성군 3곳에서 동시 다발적으로 발생한 초대형 산불로, 28명이 사망하고 32명이 부상을 입었으며, 3만6674명의 이재민이 발생했다. 두 지역 모두 최근 수년 째 이어진 봄철 극심한 가뭄과 3월 고온건조한 환경 조성으로 인한 기후위기의 증거로 거론됐다. 로이터통신에 따르면 유럽연합(EU)의 지속가능성 보고 기준 변경안이 시행될 경우, 유럽 기업들이 기후 관련 소송에 더 많이 노출될 수 있다는 우려가 법학자들 사이에서 제기됐다. 노후 인공위성의 환경 악영향에 대한 우려도 커지고 있다. 지구물리학 연구 대기 저널(Journal of Geophysical Research Atmospheres)에 발표된 연구에 따르면, 궤도상에서 연소되는 위성은 오존 회복에 악영향을 줄 수 있으며 대기 오염 물질을 방출할 가능성이 있다. 국제기상연구단체인 세계기상기여연구소(World Weather Attribution·WWA)에 따르면 지난 4월 미국 중부 미시시피 계곡에서 발생한 4일간의 홍수성 폭풍은 인간이 유발한 기후변화로 인해 강도가 9% 더 높아지고, 발생 가능성은 40% 증가한 것으로 나타났다. 네이처 보고서에 따르면 기후변화로 유발된 산불로 인한 미세먼지 지난 15년간 미국에서 약 1만5000 명의 조기 사망 원인으로 작용했으며, 수십억 달러 규모의 경제적 손실을 야기했다는 연구 결과도 발표됐다. 피해는 캘리포니아, 오리건, 워싱턴주에 집중됐다. 이처럼 기후·환경 이슈 대응의 시급성이 날로 강조되는 가운데, 개인과 국가 뿐만 아니라 국제사회가 다양한 제도적·기술적으로 힘을 모야야 할 때다.
- ESGC
2025-05-16 10:33:00
[우주의 속삭임(115)] 제임스 웹 우주망원경, 목성 오로라의 새로운 비밀 포착⋯지구보다 수백 배 밝아

미국항공우주국(나사·NASA)의 제임스 웹 우주망원경(JWST)이 태양계 최대 행성인 목성의 오로라에서 기존과는 다른 새로운 특징을 포착했다. 이번 관측은 목성 자기권과 대기 상층부의 상호작용을 보다 정밀하게 이해하는 데 기여할 것으로 기대된다. NASA는 13일(현지시간) 웹 우주망원경이 2023년 12월 25일 관측한 목성 북극 오로라에 대한 연구 결과를 발표했다. 연구는 영국 레스터대학의 조너선 니콜스(Jonathan Nichols) 박사가 이끄는 국제 공동연구진이 수행했으며, 주요 내용은 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 게재됐다. 목성의 오로라는 지구의 북극광·남극광처럼 태양에서 방출된 고에너지 입자들이 자기장을 따라 대기 상층에 유입돼 형성된다. 그러나 목성에서는 이와 더불어 위성 '이오(Io)'에서 방출된 화산 분출물도 중요한 기여 요인으로 작용한다. 이오의 강력한 화산 활동으로 방출된 입자들은 목성 주변의 자기장에 포획돼 초고속으로 가속되며, 대기와 충돌해 강력한 오로라를 만들어낸다. 특히 웹 망원경의 근적외선 카메라(NIRCam)를 활용한 이번 관측에서는 오로라 내에서 생성된 삼수소양이온(H₃⁺)의 방출선이 이전보다 훨씬 불규칙하게 변화한다는 사실이 새롭게 밝혀졌다. 이는 목성 상층 대기의 열적 구조와 방출 메커니즘에 대한 기존 가설을 재검토할 필요성을 시사한다. 니콜스 박사는 "오로라가 15분 간격으로 천천히 희미해졌다 다시 밝아질 것이라 예상했지만, 실제로는 전 영역이 초 단위로 변화하며 '튀고 터지는 듯한' 역동적인 모습을 보였다"고 밝혔다. 그는 "이번 자료는 말 그대로 크리스마스 선물 같은 발견"이라고 덧붙였다. 연구진은 또한 웹 망원경과 동시에 허블 우주망원경의 자외선 센서를 활용해 목성 오로라를 관측했지만, 웹에서 관측된 가장 밝은 빛이 허블에는 나타나지 않는 이상 현상을 발견했다. 니콜스 박사는 "두 망원경의 데이터를 종합해도 기존 이론으로 설명이 되지 않는다"며 "매우 저에너지 입자가 대량으로 대기에 유입됐을 가능성이 있으나, 이는 현재의 물리학적 예측을 넘어서는 것"이라고 설명했다. 이 같은 관측 결과는 향후 목성의 자기권 구조뿐 아니라 외계행성 오로라 연구에도 새로운 방향을 제시할 것으로 보인다. 연구진은 향후 NASA의 주노(Juno) 탐사선의 데이터와 추가적인 웹 망원경 관측을 결합해 분석을 이어갈 계획이다. 한편 제임스 웹 우주망원경은 NASA, 유럽우주국(ESA), 캐나다우주국(CSA)이 공동으로 개발한 세계 최고 성능의 적외선 천문관측 장비로, 우주의 기원과 행성 시스템의 진화를 밝히기 위한 핵심 도구로 활용되고 있다.
- 포커스온
2025-05-14 19:01:00
[우주의 속삭임(114)] "금성 지각, 예상보다 얇고 역동적"⋯NASA, 새로운 지질 순환 모델 제시

미 항공우주국(NASA)이 지원한 최신 연구에서 지구의 '뜨거운 쌍둥이'로 불리는 금성의 지각이 기존 예측보다 얇고, 독자적인 방식의 지각 변화 과정을 겪고 있다는 분석이 제기됐다. 12일(현지시간) 학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 발표된 논문에 따르면, 금성의 평균 지각 두께는 약 40km, 최대 65km에 불과한 것으로 나타났다. 이는 높은 열과 압력을 지닌 금성의 환경을 감안할 때 의외로 얇은 수준이다. 지구의 지각은 여러 개의 거대한 판으로 구성되어 천천히 이동하며, 충돌, 융기, 침강을 반복한다. 이 같은 판 구조운동(plate tectonics)은 지각의 두께와 성분을 결정짓는 핵심 매커니즘으로 작용해왔다. 두 판이 충돌할 경우, 밀도가 낮은 판이 위로 올라가고, 무거운 판은 지구 내부 맨틀로 끌려 들어가게 되는 데, 이 과정에서 고온 고압 환경에 노출된 암석은 성질이 변하는 '변석작용(metamorphism)'을 겪는다. 그러나 금성에서는 이러한 판 운동의 증거가 발견되지 않는다. NASA 존슨우주센터 산하 행성과학부문의 저스틴 필리베르토(Justin Filiberto) 부소장은 "금성은 단일 지각판 구조를 가지고 있으며, 지구처럼 판 충돌에 의한 지각 침강 현상이 없다"고 설명했다. 그럼에도 불구하고 연구진은 금성 지각의 하부가 시간이 지나며 점점 더 조밀해져, 일정 두께를 넘어서면 아래 맨틀로 떨어지거나, 고온으로 인해 녹아내리는 과정을 거친다는 모델을 제시했다. 이 과정 역시 지각 물질을 내부로 되돌려 보내고, 화산 활동을 유발하는 메커니즘으로 작용할 수 있다. 판 구조운동이 없는 금성에서, 암석의 밀도와 열 변화에 기반한 이러한 지각 순환이 새롭게 주목받고 있다. 필리베르토 부소장은 "지각이 더 두꺼워지면 바닥층이 밀도 증가로 인해 멘틀에 흡수거나 용융되며, 이로 인해 수분과 원소가 다시 내부로 순환될 수 있다"며 "이는 금성에서 용암이 생성되고 화산이 분출되는 메커니즘을 설명할 수 있는 새로운 틀"이라고 설명했다. 이번 연구는 금성의 내부 구조와 화산, 대기 진화를 이해하는 데 중요한 실마리를 제공할 것으로 보인다. NASA는 앞으로 금성 표면과 대기를 직접 관측할 수 있는 탐사 미션을 준비 중이다. 다빈치(DAVINCI·금성의 대기 성분 조사), 베리타스(VERITAS·표면 지형 및 화산 활동 탐사), 유럽우주국(ESA)의 엔비전(EnVision) 등 차세대 탐사선들이 금성의 지각 구성과 활동성을 정밀 분석할 예정이다. 필리베르토는 "금성의 화산 활동이 실제로 얼마나 활발한지에 대해서는 아직 명확한 데이터가 없다"며 "다양한 탐사를 통해 지질 및 대기 활동의 상호 작용을 밝혀낼 수 있기를 기대한다"고 덧붙였다.
- 포커스온
2025-05-13 09:48:00
[기후의 역습(136)] 세계 최상위 10%, 지구온난화 기여도 65%⋯기후 불평등 '심화'

전 세계에서 가장 부유한 상위 10%가 1990년 이후 지구 온난화의 약 65%를 초래했다는 연구 결과가 나왔다. 7일(현지시간) 네이처에 따르면 최상위 1%만 따로 보면 전체 온난화의 20%를 유발했으며, 이는 이들의 과도한 에너지 사용뿐 아니라, 화석연료 산업 등 고탄소 배출 부문에 대한 투자 때문인 것으로 분석된다. 국제학술지 네이처 클라이밋 체인지(Nature Climate Change)에 게재된 이번 연구는 부의 수준에 따른 온실가스 배출 불평등을 정량화하고, 이를 실제 기후 변화 현상과 연결 지은 첫 사례로 평가된다. 연구진은 1990년부터 2020년까지 세계 평균 기온 상승분(0.61℃ 중 0.40℃)의 약 3분의 2가 상위 10%의 배출에 기인한다고 밝혔다. 상위 1%는 전체 상승분의 20%를, 상위 0.1%는 8%를 차지했다. 이들은 평균적인 인류보다 각각 6.5배, 20배, 77배 더 많은 온난화를 유발했다. 특히 최상위층은 전 세계 극한 기상 현상에 막대한 영향을 미친 것으로 나타났다. 상위 1%는 일반인 대비 전 세계 폭염에 26배, 아마존 지역 가뭄에 17배 더 많이 기여했다. 연구팀은 "전 지구적 불평등이 기후 재난의 원인을 더욱 구조화하고 있다"고 지적했다. "부자들의 탄소 사치"…기후 위기의 진짜 가해자 누구인가 이번 연구는 단순한 국가 간 탄소 배출 비교가 아닌, 소득 계층별 온난화 기여도를 분석 대상으로 삼았다는 점에서 눈길을 끈다. 기존에는 국가별 연평균 배출량만으로 책임을 논의했지만, 이 연구는 개인의 소비, 투자, 무역 등을 모두 반영한 '경제활동 기반의 배출 책임'을 추적했다. 연구진은 글로벌 온실가스 배출량을 1990년 이후 고소득 계층이 내지 않았다면 어떤 기후가 형성됐을지를 시뮬레이션했다. 그 결과, 세계 모든 인구가 하위 50% 수준의 배출만 했을 경우, 1990년 이후 온난화는 거의 발생하지 않았을 것으로 나타났다. 반면 상위 10% 수준으로 전 인류가 배출했다면 지구 평균 기온은 2.9℃ 상승했을 것이며, 상위 1% 수준으로 일제히 배출했다면 6.7℃, 상위 0.1% 수준이면 무려 12.2℃ 상승이라는 '기후 재앙'이 도래했을 것으로 분석됐다. 지역별로 드러난 기후 불평등의 민낯 국가별로 보면, 미국 상위 1%는 전 세계 평균보다 53배 더 많이 온난화를 유발했다. 유럽연합(EU27) 상위 1%는 21배, 중국 상위 1%는 13배, 인도는 4배였다. 특히 미국 상위 0.1%의 경우, 전체 국가가 책임져야 할 몫을 단독으로 초과할 정도였다. 이는 결국 기후위기의 책임이 단순히 '국가'가 아닌, 국가 내 고소득층에 집중돼 있음을 의미한다. 실제로 미국·유럽 상위 계층은 세계 최상위 소득자의 핵심 집단이며, 이들이 자국 내에서도 평균보다 수십 배 높은 탄소 발자국을 남기고 있다는 것이다. 2024년 9월 20일 브라질 아마조나스주 마나카푸루 인근에서 1950년 관측 이래 가장 극심하고 광범위한 가뭄이 발생한 가운데 그린피스 활동가들이 아마존강의 최대 지류 중 하나인 솔리모스 강에서 가뭄으로 드러난 모래톱 위에 항의 메시지를 준비하고 있다. 사진=로이터/연합뉴스 폭염과 가뭄, 가난한 나라가 더 큰 피해 연구는 기후 불평등이 단지 배출에서 끝나지 않고, 피해 양상에서도 격차가 크다는 점을 강조한다. 역사적 배출이 적고 소득 수준이 낮은 국가일수록 극단적 기후에 더 자주 노출되며, 기후 적응을 위한 재정적 여력도 부족한 실정이다. 예를 들어 아프리카, 동남아시아, 남미 일부 지역은 폭염과 가뭄이 1세기 기준 1% 확률로 일어났던 극한 기상이 10배 이상 증가했다. 특히 아마존 열대우림의 가뭄은 세계 탄소 순환에도 치명적인 영향을 줄 수 있는 사안이다. 기후책임, 이제는 기업·개인의 법적 책임 시대로 이러한 분석은 최근 기후과학계에서 활발히 논의되고 있는 '기후 책임 소송(climate liability)' 이슈와도 맞물린다. 지난달 발표된 또 다른 네이처 논문은 특정 기업이 기후위기 유발에 기여한 정도를 계량화하고, 이로 인해 발생한 피해액도 산정 가능하다고 주장했다. 예를 들어 세계 5위 석유회사인 미국 샌라몬에 본사가 있는 셰브론(Chevron)은 전 세계 폭염으로 인한 손실 가운데 최대 3조6000억 달러에 책임이 있다는 추정이다. 이번 연구진도 "기후 손해에 대한 과학적 책임은 이미 충분히 입증됐다"며, "향후 법적 책임 부과 가능성은 시간 문제"라고 강조했다. "기후위기는 불평등 위기"…시민사회와 정책 변화 요구 기후위기의 본질이 불평등 문제라는 점이 더욱 명확해지면서, 시민사회와 정책 입안자들에게는 새로운 숙제가 주어졌다. 탄소세, 자산기반 배출 규제, 기후 정의 펀드 조성, 글로벌 탄소 누진제 도입 등이 주요 정책 옵션으로 거론된다. 국제기구와 NGO들은 이제 '누가 가장 많이 배출했는가'뿐 아니라, '누가 가장 크게 책임을 져야 하는가'라는 정의로운 전환의 관점을 요구하고 있다. 기후위기는 점점 더 빈곤을 심화시키고 있으며, "기후변화는 차가운 과학이 아니라 뜨거운 윤리의 문제"가 되었다는 평가가 힘을 얻고 있다.
- ESGC
2025-05-09 13:02:00
[기후의 역습(135)] 생물 없는 바다, 기후변화 2배 빠르다

해양 생물이 사라지면 기후 변화가 더욱 가속화되는 것으로 나타났다. 물고기와 플랑크톤 등 해양 생물이 모두 사라질 경우, 지구의 대기 중 이산화탄소 농도는 50% 이상 증가할 수 있다는 연구 결과가 나왔다고 웹 사이트 PHYS. org가 6일(현지시간) 보도했다. 이는 해양 생물이 기후 안정에 핵심적인 역할을 하고 있음을 시사한다. 노르웨이 기후연구기관인 NORCE 및 비에르크네스 센터(Bjerknes Centre)의 연구진은 최근 학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 발표한 논문을 통해 해양 생물이 지구 기후에 미치는 영향을 정량적으로 분석했다. 연구팀은 노르웨이 지구시스템모형(NorESM)을 활용해 해양 생물이 존재하는 시나리오와 완전히 사라진 시나리오를 비교 시뮬레이션한 결과, 해양 생물이 모두 사라질 경우 대기 중 이산화탄소 농도가 약 50% 증가한다고 밝혔다. 이번 연구의 핵심은 이른바 '생물학적 탄소 펌프(Biological Carbon Pump)'다. 이는 미세 플랑크톤과 같은 해양 생물들이 표층에서 탄소를 흡수하고, 사멸 후 해저로 가라앉으며 대기 탄소를 깊은 해양으로 이동시키는 과정이다. 이 메커니즘은 바다의 탄소 흡수 능력을 강화해 지구 온난화를 억제하는 데 기여한다. 제리 치푸트라(Jerry Tjiputra) 박사와 다미앵 쿠에스펠(Damien Couespel) 박사, 리처드 샌더스(Richard Sanders) 박사 등 공동 연구진은 이러한 생물학적 경로가 제거된 경우, 해양이 대기 중 탄소를 흡수하는 능력이 크게 약화된다고 지적했다. 쿠에스펠 박사는 "해양 생물이 사라질 경우, 해양이 감당하지 못한 탄소의 절반 정도는 육상 생태계가 흡수하지만, 이는 충분하지 않다"며 "지구의 탄소 순환에서 해양 생물의 역할이 과소평가되어 왔음을 시사한다"고 밝혔다. 연구진은 산업화 이전(1850년 이전)과 미래 고배출 시나리오를 각각 비교 분석했으며, 두 경우 모두 해양 생물이 제거된 시나리오에서는 표층 해수 내 탄소 농도가 크게 증가해 추가적인 탄소 흡수를 어렵게 만드는 결과가 나타났다고 전했다. 치푸트라 박사는 "이번 연구는 해양의 탄소 흡수가 단지 물리·화학적 요인에 의해 좌우된다는 기존 패러다임에 의문을 제기한다"며 "생물학적 요인이야말로 해양이 기후변화 대응에서 핵심 역할을 수행하는 요소"라고 강조했다. 이러한 가상의 시나리오는 극단적이지만, 해양 생태계의 파괴가 실질적으로 해양의 탄소 흡수력을 약화시키고, 나아가 기후변화를 가속화할 수 있음을 경고한다. 특히 어류, 고래, 플랑크톤 등 해양 생물다양성의 급속한 감소가 현실화되고 있는 상황에서 이번 연구는 해양 보존의 중요성을 다시 한번 부각시키고 있다.
- ESGC
2025-05-07 17:08:00
[기후의 역습(134)] 북극 식생지도 바뀐다⋯기후변화가 촉발한 생태계 구조 전환

급격한 기후변화로 인해 북극 지역 식생이 예상과 달리 다양한 방향으로 변화하고 있다는 연구 결과가 나왔다. 미국 캘리포니아 대학교(UC) 데이비스 캠퍼스 연구진은 북극 일부 지역에서는 식물 종 다양성이 증가했지만, 다른 지역에서는 오히려 감소하는 등 복잡한 양상이 확인됐다고 밝혔다. 최근 국제학술지 '네이처(Nature)'에 게재된 이번 연구는 1981년부터 2022년까지 40여 년간 북극 툰드라 45개 지역, 총 2,174개 식물 군집을 조사한 자료 4만2,000여 건을 분석한 대규모 프로젝트다. 에든버러대학교가 주도하고, 브리티시컬럼비아대학교와 UC데이비스 등 전 세계 49개 연구기관이 공동 참여했다. 연구진은 캐나다 고위도 북극 툰드라, 스발바르제도, 알래스카와 페노스칸디나비아의 아고산 지대 등 다양한 기후 조건의 북극 식생대를 조사했다. 그 결과, 북극 전역에서는 키가 큰 관목과 풀의 개체수가 급증하는 반면, 그늘에 약한 초본 식물과 꽃 식물의 생육은 줄어드는 현상이 나타났다. 이번 연구는 북극이 전 세계 평균보다 4배 빠르게 온난화되는 가운데, 이러한 식생 변화가 생태계 전반의 구조적 전환을 암시하는 '조기 경보'일 수 있다고 경고한다. 식물 구조의 변화는 북극 동물과 지역 원주민 사회, 나아가 지구의 탄소 순환 체계에까지 영향을 줄 수 있기 때문이다. 마리아나 가르시아 크리아도 박사(에든버러대)는 "툰드라 생태계는 1㎡에 수십 종의 식물이 서식할 정도로 의외로 다양성이 높다"며 "기온 상승이 일부 지역에서는 식물 종을 늘렸지만, 관목이 우점하게 된 지역에선 오히려 생물다양성이 줄어들었다"고 말했다. 공동저자인 아일라 마이어스 스미스 교수(에든버러대·브리티시컬럼비아대)는 "기후변화가 생물다양성 감소로만 이어지는 것은 아니다"며 "추운 북극에서는 관목 우점 여부에 따라 다양성 증가와 감소가 양분되는 복합적 결과가 나타났다"고 분석했다. 그렉 헨리 브리티시컬럼비아대 명예교수는 "북극 생태계 변화는 식물에서 시작된다"며 "장기적인 관측 없이는 이 같은 복합적인 생태계 반응을 이해하기 어렵다"고 강조했다. 이번 연구는 유럽연합(EU)과 영국 자연환경연구위원회(NERC) 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구진은 수집된 식생 데이터베이스가 향후 북극 생태계 예측과 기후변화 대응 전략 수립에 핵심 자료가 될 것으로 기대하고 있다.
- ESGC
2025-05-04 19:25:00
[퓨처 Eyes(81)] 물 분해 숨겨진 비용 규명⋯효율적인 수소 생산 청신호

우리가 매일 사용하는 에너지, 그 뒤에는 지구를 뜨겁게 달구는 화석 연료의 그림자가 드리워져 있다. 멈추지 않는 지구 온난화의 시계 앞에서, 과학자들은 물에서 무한한 에너지를 얻는 꿈, 바로 '수소 에너지'에 주목해왔다. 마치 마법처럼 물을 분해해 깨끗한 연료를 얻는 기술, 하지만 오랫동안 이 꿈은 풀리지 않는 숙제처럼 에너지 낭비라는 숨겨진 비용에 발목이 잡혀 있다. 그런데 최근 한 대학 연구실에서 이 답답한 문제의 실마리를 찾아냈다. 물 분자 속에 숨겨진 놀라운 비밀, 그리고 더 깨끗한 미래를 향한 희망의 빛을 따라가 볼까? 지속 가능한 에너지 해결책에 대한 전 세계적인 염원이 뜨거운 가운데, 물을 전기 분해하여 수소와 산소로 나누는 '물 분해' 기술은 오랫동안 유망한 대안으로 손꼽아 왔다. 하지만 이론적으로 예상했던 것보다 실제 물 분해 과정에서 훨씬 더 많은 에너지가 필요하다는 점이 과학자들의 오랜 고민이었다. 그런데 최근 미국 노스웨스턴 대학교 화학자들이 물 분해의 에너지 효율 저하의 원인을 분자 수준에서 밝혀내 과학계의 주목을 받고 있다. 연구팀은 산소 원자를 내노기 직전의 아주 짧은 순간에 물 분자가 예상치 못한 '뒤집힘'이라는 특별한 행동을 하며, 이 움직임 때문에 에너지 효율이 떨어진다는 사실을 새롭게 밝혀냈다. 이 연구 결과는 권위 있는 과학 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 실렸다. 에너지 효율을 갉아 먹는 주범 연구를 이끈 프란츠 가이거 교수는 물 분해 반응 중 산소를 만드는 과정이 마치 닫힌 자물쇠를 여는 것처럼 매우 까다롭다고 설명한다. 그는 이론적으로 1.23볼트의 에너지면 충분해야 하지만, 실제로는 1.5~1.6볼트나 더 많은 에너지가 필요하다고 지적하며, "물을 뒤집는 데 필요한 에너지가 바로 이 추가 에너지의 주요 원인"이라고 강조했다. 마치 보이지 않는 손이 에너지 효율을 붙잡고 있는 듯한 상황이었던 셈이다. 물 분자는 전기를 띤 작은 자석과 같다. 음(-)전하를 띤 전극 쪽으로 양(+)전하를 띤 수소 원자를 향하려는 성질이 있다. 하지만 이렇게 되면 물 분자의 산소 원자에서 전극으로 전자가 이동하는 길이 꽉 막혀 버린다. 연구팀은 아주 강력한 전기장이 걸리는 순간, 물 분자가 순식간에 회전하며 산소 원자가 전극 표면을 향하게 된다는 것을 알아냈다. 마치 굳게 닫혀 있던 문이 활짝 열리듯, 수소 원자가 비켜서면서 전자가 자유롭게 이동할 수 있게 되는 것이다. pH 농도 조절로 효율 높이기 연구팀은 이 신기한 물 분자의 '회전' 운동에 얼마나 많은 에너지가 숨어 있는지 정밀하게 측정했다. 그 결과는 놀라웠다. 물 분자가 액체 상태를 유지하도록 서로 끌어 당기는 에너지와 거의 같은 양이었던 것이다. 하지만 희소식도 있다. 물의 pH 농도를 높이면 이 회전에 필요한 에너지를 놀랍게도 줄일 수 있다는 사실을 발견한 것이다. pH 농도가 낮을 때는 물 분자를 올바르게 회전시키는 데 더 많은 힘이 필요했지만 pH 농도가 높아질수록 물 분해 과정이 훨씬 더 수월하게 진행됐다. 가이거 교수는 "pH9 이하에서는 전기가 거의 흐르지 않는다"며, 물 분자는 여전히 회전하지만, 그 과정에 너무 많은 에너지가 소모되어 전기화학 반응 자체가 멈춰버린다고 설명했다. 수소 경제와 우주 탐사에 밝은 전망 이번 연구는 오랫동안 과학자들을 괴롭혔던 물 분해의 숨겨진 에너지 비용 문제를 명쾌하게 해결했을 뿐만 아니라, 더 효율적인 물 분해 기술 개발의 새로운 지평을 열었다는 평가를 받고 있다. 연구팀은 물 분자가 마치 숙련된 곡예사처럼 더 쉽고 빠르게 회전하도록 돕는 새로운 촉매를 설계한다면, 물 분해 기술을 우리의 삶에 더욱 가깝고 경제적인 방식으로 가져올 수 있을 것으로 기대하고 있다. 가이거 교수는 "우리의 궁극적인 목표는 지구를 병들게 하는 화석 연료에서 벗어나 깨끗한 에너지, 즉 수소 에너지를 주 에너지원으로 사용하는 '수소 경제' 사회를 건설하는 것"이라며, "태양 빛을 이용해 물을 분해하는 꿈은 더 이상 먼 미래의 이야기가 아닐지도 모른다"고 강조했다. 태양광 에너지를 활용하면 물 분해에 필요한 전기 에너지를 획기적으로 줄여 연료 생산 비용을 낮출 수 있기 때문이다. 또한, 이번 연구는 촉매 표면의 디자인을 물 분자 회전에 최적화하는 것이 마치 꽉 막힌 도로를 시원하게 뚫는 것처럼 전자 이동을 원활하게 시작하는 데 매우 중요하다는 점을 시사한다. 또한, 이 연구 결과는 미래에 있을 화성 탐사에서도 우주비행사들이 숨 쉴 공기와 깨끗한 에너지원을 확보하는 데 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다. 한편, 이번 연구에는 라이덴 스피먼, 에즈라 J. 마커 외에도 아르곤 국립 연구소의 알렉스 마틴슨과 퍼시픽 노스웨스트 국립 연구소의 메이비스 보아마, 제이콥 쿠퍼버그, 마크 엥겔하르트, 야통 자오, 케빈 로소 등 여러 연구자가 공동으로 참여했다. 가이거 교수는 "이제 물 분자 회전이 금속 전극뿐만 아니라 반도체 전극에서도 일어난다는 것을 알게 되었다"며, "이는 우리가 처음 생각했던 것보다 훨씬 더 흔한 현상일 수 있다. 앞으로 물 분자 회전이 가장 쉽게 일어나는 최적의 조건을 찾아 최적화할 계획"이라고 밝혔다. 연구팀은 앞으로 니켈, 적철석과 같이 우리 주변에서 쉽게 구할 수 있는 물질을 활용하여 더욱 효율적인 물 분해 기술을 개발하기 위한 연구를 꾸준히 이어갈 예정이다. 이 작은 물 분자의 숨겨진 움직임 속에서 과학자들은 인류의 미래를 바꿀 거대한 가능성을 발견했다. 수십 년간 풀리지 않던 에너지 효율의 비밀을 밝혀낸 끈기와 노력은, 깨끗한 에너지로 가득한 세상을 향한 밝은 희망을 쏘아 올리고 있다. 마치 지구라는 푸른 별을 넘어 더 넓은 우주로 나아가는 꿈처럼, 효율적인 물 분해 기술은 지속 가능한 미래를 향한 우리의 여정에 든든한 동반자가 되어줄 것이다. 묵묵히 연구에 매진하는 과학자들의 열정과 끊임없는 탐구 정신이 만들어낼 더 놀라운 발견들을 기대하며, 우리 모두 깨끗한 에너지로 빛나는 미래를 함께 만들어갈 수 있기를 바란다.
- 포커스온
2025-04-24 13:32:00
[우주의 속삭임(111)] '우주 라디오'로 암흑물질 추적⋯액시온 주파수 탐지 장치 개발

우주의 대부분을 구성하는 것으로 알려진 암흑물질 탐색에 새로운 전기가 마련됐다. 과학자들이 '우주 라디오'에 비유되는 신형 암흑물질 검출기를 개발해, 향후 15년 이내 암흑물질 후보자인 '액시온(axion)'을 직접 포착할 가능성이 열렸다. 영국 킹스칼리지런던(KCL), 미국 하버드대, UC버클리 등 국제 공동 연구팀은 지난 16일(현지시간) 국제 학술지 네이처(Nature)에 발표한 논문에서 엑시온의 주파수를 포착하기 위한 특수 장비와 새로운 소재 기반의 탐색 기술을 소개했다. 해당 연구에 대해서는 과학 기술전문매체 사이테크 데일리가 보도했다. 연구팀은 이 장치에 대해 "40년 넘게 추적해 온 암흑물질의 실체를 규명할 수 있는 마지막 단계에 접어들었다"고 평가했다. 암흑물질은 우주 전체 질량의 약 85%를 차지하는 것으로 추정되며, 별이나 은하의 운동 등 중력 효과로 간접적으로만 존재가 추정되어 왔다. 하지만 직접 관측은 한 번도 성공한 적이 없다. 이번 연구에서 핵심이 된 입자인 '액시온'은 매우 가볍고, 일반 물질과의 상호작용이 극히 적어 포착이 어렵다고 알려져 있다. 이 입자는 파동처럼 행동하며 특정 주파수 대역에 존재할 수 있다고 이론상 제안돼 왔다. 연구진은 이론상 존재할 것으로 추정되는 액시온 주파수를 탐지하기 위해, '액시온 준입자(AQ, axion quasiparticle)'를 생성할 수 있는 특수 소재를 활용했다. 해당 장치는 일종의 '우주 라디오'처럼 작동해, 액시온이 존재할 법한 주파수를 조율하며 탐색을 진행한다. 탐지 시에는 미량의 빛을 방출하게 되며, 이는 액시온 존재를 확인할 수 있는 간접 신호가 된다. 이 장치의 핵심 소재는 망간비스무트텔루라이드(MnBi₂Te₄)로, 전자기적 특성이 뛰어나고 얇은 2차원 구조로 가공이 가능하다. 하버드대 주도하에 6년간 개발된 이 소재는 공기에 민감해 원자 수준의 얇은 층으로 정밀 제작됐으며, 외부 자극에 따라 전자적 성질이 정밀하게 조정될 수 있다. 연구책임자인 KCL의 데이비드 마시(David Marsh) 박사는 "1983년 액시온이 라디오 주파수처럼 작동할 수 있다는 이론이 제기된 이후, 우리는 이제 그 주파수를 실제로 조율할 수 있는 기술에 도달했다"며 "남은 건 탐지 범위를 확대하고, 시간을 들여 탐색하는 일"이라고 설명했다. 연구팀은 향후 5년 안에 실용적 수준의 AQ 검출기를 완성하고, 이후 10년 이상 고주파 영역을 정밀 수캔해 액시온을 찾겠다는 계획이다. 이번 검출기는 암흑물질의 규명이라는 물리학 최대 난제 중 하나에 결정적 단서를 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 마시 박사는 "최근 액시온을 주제로 한 논문 수가 힉스 보손 발견 직전과 비슷한 수준에 이르렀다"며 "지금은 암흑물질 연구자들에게 흥미로운 시기"라고 덧붙였다. ◇ 참고문헌: '2D MnBi2Te4에서 액시온 준입자 발견(Observation of the axion quasiparticle in 2D MnBi2Te4)' by Jian-Xiang Qiu, Barun Ghosh, Jan Schütte-Engel, Tiema Qian, Michael Smith, Yueh-Ting Yao, Junyeong Ahn, Yu-Fei Liu, Anyuan Gao, Christian Tzschaschel, Houchen Li, Ioannis Petrides, Damien Bérubé, Thao Dinh, Tianye Huang, Olivia Liebman, Emily M. Been, Joanna M. Blawat, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kin Chung Fong, Hsin Lin, Peter P. Orth, Prineha Narang, Claudia Felser, Tay-Rong Chang, Ross McDonald, Robert J. McQueeney, Arun Bansil, Ivar Martin, Ni Ni, Qiong Ma, David J. E. Marsh, Ashvin Vishwanath and Su-Yang Xu, 2025년 4월 16일, Nature. DOI: 10.1038/s41586-025-08862-x
- 포커스온
2025-04-22 09:58:00
[퓨처 Eyes(80)] 뇌 속 '디지털 쌍둥이' 탄생…AI 모델, 뇌 연구 혁명 예고

눈을 감고 뇌 속을 탐험하는 상상을 해보자. 복잡하게 얽힌 신경망 속에서 수많은 정보들이 빛의 속도로 오간다. 인간은 오랫동안 이 미지의 세계를 이해하기 위해 노력해왔다. 그리고 마침내, 과학자들이 인공지능(AI)이라는 강력한 도구를 이용하여 뇌의 비밀을 풀 실마리를 찾아냈다. 마치 영화 속 한 장면처럼, 쥐의 뇌를 똑같이 복제한 가상 세계, 즉 '디지털 트윈'이 현실로 나타난 것이다. 최근 스탠퍼드 의과대학 연구진과 공동 연구팀은 AI 모델을 활용해 쥐 뇌의 시각 정보를 처리하는 특정 부위를 완벽하게 복제하는 데 성공하며 뇌 연구의 새로운 장을 열었다. 이 놀라운 디지털 쌍둥이는 실제 쥐들이 영화를 볼 때 뇌의 시각 피질에서 발생하는 방대한 양의 활동 데이터를 학습했다. 그 결과, 새로운 영상이나 사진이 주어졌을 때 수만 개에 달하는 뇌세포, 즉 뉴런들이 어떻게 반응할지 정확하게 예측할 수 있게 되었다. 이처럼 뇌의 작동 방식을 그대로 옮겨놓은 디지털 트윈은 과학자들이 뇌의 복잡한 내부 구조와 기능을 훨씬 쉽고 효율적으로 연구할 수 있도록 돕는다. 이번 연구의 핵심 인물이자 스탠퍼드 의과대학 안과 교수인 안드레아스 톨리아스 박사는 "만약 우리가 뇌의 모델을 아주 정확하게 만들 수 있다면, 이는 우리가 훨씬 더 많은 실험을 할 수 있다는 의미가 된다"고 설명했다. 그는 이어 "가장 유망한 결과를 보이는 실험들을 실제 뇌에서 다시 한번 확인해볼 수 있을 것"이라고 덧붙였다. 이 연구 결과는 지난 4월 9일, 세계적인 과학 학술지 '네이처'에 발표되어 큰 주목을 받았다. 이번 연구의 주 저자는 베일러 의과대학의 의대생인 에릭 왕 박사다. 디지털 트윈, 뇌 연구의 새로운 가능성을 열다 지금까지 개발된 시각 피질 AI 모델들은 학습 데이터에서 보았던 특정 종류의 자극에 대해서만 뇌의 반응을 흉내 낼 수 있었다. 하지만 이번에 새롭게 개발된 모델은 이전 모델들과는 확연히 다르다. 이 모델은 다양한 종류의 새로운 시각 정보에 대해서도 뇌가 어떻게 반응할지를 예측할 수 있다. 심지어 각 뉴런의 미세한 해부학적 특징까지도 알아낼 수 있다는 점이 놀랍다. 톨리아스 박사는 "결국에는 인간 뇌의 적어도 일부분이라도 디지털 트윈으로 만들 수 있을 것이라고 믿는다"며 이번 연구의 잠재력을 강조했다. 이 새로운 모델은 '파운데이션 모델'이라는 비교적 새로운 종류의 AI 모델에 속한다. 파운데이션 모델은 엄청난 양의 데이터를 학습한 후, 습득한 지식을 새로운 작업이나 새로운 형태의 데이터에 적용할 수 있는 능력을 갖춘 모델을 말한다. 연구자들은 이러한 능력을 '훈련 분포 외부로 일반화'라고 표현한다. 우리에게 친숙한 예로는 챗GPT를 들 수 있다. 챗GPT는 방대한 텍스트 데이터를 학습하여 새로운 텍스트를 이해하고 생성하는 능력을 보여준다. 톨리아스 박사는 "여러 면에서 지능의 핵심은 강력하게 일반화하는 능력이다"라며, "궁극적인 목표, 즉 우리가 도달해야 할 성배는 바로 학습한 데이터의 범위를 넘어서는 상황에서도 일반화할 수 있는 능력을 갖추는 것"이라고 강조했다. 쥐의 뇌를 학습한 AI 모델, 비결은 '액션 영화' 새로운 AI 모델을 훈련시키기 위해 연구팀은 먼저 실제 쥐들이 영화를 시청하는 동안 뇌 활동을 기록했다. 흥미롭게도 쥐들에게 보여준 영화는 사람들이 보는 일반적인 영화였다. 연구팀은 이 영화들이 쥐가 실제 자연 환경에서 볼 수 있는 장면들과 최대한 비슷할 것이라고 생각했다. 톨리아스 박사는 "쥐에게 현실적인 영화를 보여주는 것은 매우 어렵다. 왜냐하면 쥐를 위한 할리우드 영화를 만드는 사람은 아무도 없기 때문이다"라고 말했다. 하지만 액션 영화가 그나마 쥐들이 볼 만한 움직임을 많이 담고 있어 선택되었다. 쥐는 사람의 주변 시야와 비슷한 저해상도 시력을 가지고 있어, 세부적인 모습이나 색깔보다는 주로 움직임을 감지한다. 톨리아스 박사는 "쥐는 움직임을 좋아하고, 움직임은 쥐의 시각 시스템을 매우 강하게 활성화시킨다. 그래서 우리는 액션이 많은 영화를 쥐들에게 보여주었다"고 설명했다. 연구팀은 짧은 시간 동안 여러 번의 영화 시청 실험을 진행하며, 총 8마리의 쥐가 '매드맥스'와 같은 액션 영화의 짧은 장면들을 시청하는 동안 900분 이상에 걸쳐 뇌 활동을 기록했다. 이 과정에서 카메라를 이용하여 쥐들의 눈 움직임과 행동 변화를 꼼꼼하게 관찰했다. 연구팀은 이렇게 모아진 방대한 데이터를 이용하여 핵심 AI 모델을 훈련시켰고, 이 모델에 약간의 추가 학습을 시키는 방식으로 각 개별 쥐의 특성을 반영하는 맞춤형 '디지털 트윈'을 만들 수 있었다. 정확한 예측 넘어 뇌 구조까지 파악 이렇게 만들어진 디지털 트윈들은 실제 쥐들이 새로운 영상이나 정지 이미지를 보았을 때 나타내는 신경 활동을 매우 흡사하게 흉내 낼 수 있었다. 톨리아스 박사는 이처럼 디지털 트윈이 성공적으로 작동할 수 있었던 가장 큰 이유는 바로 방대한 양의 학습 데이터 덕분이라고 말했다. 그는 "그들은 엄청나게 많은 데이터 세트로 훈련되었기 때문에 예측 정확도가 매우 인상적이었다"고 강조했다. 비록 신경 활동 데이터만을 이용하여 훈련되었지만, 이 새로운 모델들은 다른 종류의 데이터에도 적용될 수 있는 뛰어난 능력을 보여주었다. 특히 한 마리의 특정 쥐의 디지털 트윈은 시각 피질에 있는 수천 개의 뉴런들의 해부학적 위치와 세포 종류는 물론, 이들 뉴런 사이의 연결망까지 정확하게 예측해냈다. 연구팀은 이러한 예측 결과가 실제 쥐의 시각 피질을 초고해상도 전자현미경으로 촬영한 이미지와 얼마나 일치하는지 비교하여 검증했다. 이 전자현미경 이미지는 쥐의 시각 피질 구조와 기능을 전례 없는 수준으로 자세하게 매핑하는 대규모 프로젝트의 일부였다. 'MICrONS' 프로젝트로 알려진 이 연구 결과 역시 '네이처'에 동시에 발표되었다. 뇌 연구의 '블랙박스'를 열고 미래를 보다 디지털 트윈은 실제 쥐의 수명을 훨씬 뛰어넘어 존재하며 작동할 수 있기 때문에, 과학자들은 사실상 동일한 동물에 대해 횟수 제한 없이 무한에 가까운 실험을 수행할 수 있다. 기존에는 몇 년이 걸렸을 실험을 단 몇 시간 만에 완료할 수 있으며, 수백만 건의 실험을 동시에 진행하는 것도 가능해져 뇌가 정보를 어떻게 처리하고 지능이 작동하는 원리에 대한 연구 속도를 획기적으로 높일 수 있을 것으로 기대된다. 톨리아스 박사는 "우리는 말하자면 뇌라는 '블랙박스'를 열어 개별 뉴런 또는 뉴런 집단 수준에서 뇌가 어떻게 정보를 부호화하고 함께 작동하는지 이해하려고 노력하고 있다"고 말했다. 실제로 이 새로운 모델들은 이미 새로운 통찰력을 제공하고 있다. '네이처'에 동시에 발표된 또 다른 관련 연구에서 연구자들은 디지털 트윈을 이용하여 시각 피질의 뉴런들이 서로 연결을 형성할 때 어떤 기준으로 다른 뉴런들을 선택하는지 밝혀냈다. 과학자들은 이전부터 비슷한 기능을 하는 뉴런들이 마치 사람들이 친구를 사귀는 것처럼 서로 연결되는 경향이 있다는 것을 알고 있었다. 디지털 트윈 연구를 통해 어떤 유사성이 가장 중요한 역할을 하는지가 새롭게 밝혀졌다. 뉴런들은 시각 공간의 같은 영역에 반응하는 뉴런들보다, 예를 들어 파란색과 같은 동일한 시각적 자극에 반응하는 뉴런들과 더 잘 연결되는 것을 선호한다는 사실이 밝혀진 것이다. 톨리아스 박사는 "이는 마치 사람이 어디에 사는지보다 무엇을 좋아하는지를 기준으로 친구를 선택하는 것과 같다"며, "우리는 뇌가 어떻게 조직되는지에 대한 훨씬 더 정확한 규칙을 배우게 되었다"고 말했다. 연구팀은 앞으로 자신들의 모델링 기술을 다른 뇌 영역과 더 나아가 인지 능력이 더 발달한 영장류를 포함한 다른 동물들에게까지 확장할 계획이다. 톨리아스 박사의 말처럼, 인간의 복잡한 생각과 감정, 그리고 행동을 만들어내는 미지의 영역, 뇌. 이번 연구는 그 심연을 향해 내딛은 용감한 발걸음이다. 작은 쥐의 뇌에서 시작된 디지털 트윈 기술이 언젠가 인간의 뇌를 완벽하게 이해하고, 나아가 알츠하이머병이나 파킨슨병과 같은 난치병으로 고통받는 수많은 사람들에게 희망의 빛을 선사하는 날이 오기를 기대해본다. AI가 그려낼 뇌 연구의 눈부신 미래는 이미 우리 눈앞에 성큼 다가와 있는지도 모른다. 이번 연구에는 괴팅겐 대학교와 앨런 뇌 과학 연구소의 연구진도 참여했다. 이번 연구는 인텔리전스 고급 연구 프로젝트 활동(Intelligence Advanced Research Projects Activity), 국립 과학 재단 뉴로넥스 보조금(National Science Foundation NeuroNex grant), 국립 정신 건강 연구소(National Institute of Mental Health), 국립 신경 질환 및 뇌졸중 연구소(National Institute of Neurological Disorders and Stroke, 보조금 번호 U19MH114830), 국립 눈 연구소(National Eye Institute, 보조금 번호 R01 EY026927 및 시각 연구 핵심 보조금 T32-EY-002520-37), 유럽 연구위원회(European Research Council) 및 독일 연구 재단(Deutsche Forschungsgemeinschaft)의 지원을 받았다. 스탠퍼드 메디슨에 대하여 스탠퍼드 메디슨은 스탠퍼드 의과대학과 성인 및 소아 의료 서비스 시스템으로 이루어진 통합 학술 의료 시스템이다. 이들은 협력 연구, 교육 및 환자 진료를 통해 생물의학의 모든 잠재력을 활용하고 있다. 더 자세한 정보는 med.stanford.edu에서 확인할 수 있다.
- 포커스온
2025-04-17 15:35:00
[기후의 역습(131)] 북극해 뒤흔드는 해빙과 오염물 확산…"시베리아 강 오염물질, 북극 생태계 위협"

지구 온난화로 인해 북극해의 해빙이 가속화되면서, 시베리아 강에서 유입된 오염물질이 북극해를 넘어 북대서양까지 광범위하게 확산되고 있다는 연구 결과가 발표됐다. 이번 연구는 북극의 해류 흐름과 오염 물질 경로를 정밀 추적하며, 기후 변화가 북극 생태계에 미치는 새로운 위협을 조명했다. 영국 브리스톨대학교가 주도하고 독일 킬대학교, 미국 우즈홀 해양연구소 등이 참여한 국제 공동 연구팀은 북극해의 주요 표층 해류인 '트랜스폴라 드리프트(Transpolar Drift)'를 따라 시베리아 강 유입물이 어떻게 이동하는지를 연중 관측 데이터와 동위원소 분석을 통해 정밀하게 규명했다고 사이테크데일리가 보도했다. 해당 연구는 지난 4월 14일 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 발표됐다. 시베리아 강에서 북극을 넘어⋯이동하는 오염물질 연구팀은 시베리아 대륙붕에서 유입된 담수, 영양염, 미세플라스틱, 중금속 등 오염 물질이 북극해 중심부를 지나 프람 해협을 통해 노르딕해로 유입되는 횡단 북극 이동 경로를 분석했다. 특히 이 물질들이 단순히 해류를 따라 이동하는 것이 아니라, 계절적 해빙 형성과 해류 변화, 대륙붕의 유속 변화에 따라 경로가 크게 달라지는 고도로 역동적인 양상을 보인다고 강조했다. 트랜스폴라 드리프트는 과거 노르웨이 탐험가 프리드쇼프 난센(Fridtjof Nansen)이 1890년대 프람호 탐험 당시 처음 관측한 북극의 주요 흐름으로 알려져 있었으나, 이번 연구는 이 해류조차 시간·공간적으로 예측 불가능한 변동성을 지니고 있다는 점을 처음으로 입증했다. 해빙, 단순한 운반체 아닌 '능동적 확산 매개체' 연구를 이끈 브리스틀대학교 조지 라우커트(Dr. Georgi Laukert) 박사는 "시베리아 강에서 유입된 물질이 해류뿐 아니라 해빙 과정에서도 재분포되며, 특히 트랜스폴라 드리프트에서 생성된 해빙은 다양한 강원(江源)의 물질을 동시에 포착해 복합적으로 운반하는 역할을 한다"며 "해빙이 단순한 운반체를 넘어, 물질 분산 경로를 형성하는 주체로 기능한다"고 설명했다. 해양학자들은 이러한 복합적 경로를 추적하기 위해 산소, 네오디뮴 동위원소, 희토류 원소 등 지화학적 추적 기법을 동원해. 해수·해빙·눈 시료를 분석했다. 이들은 북극 최대 연구 탐사인 MOSAiC(2020~2021)의 일환으로 7척의 쇄빙선과 전 세계 과학자 600명 이상이 참여해 1년간 북극 전역에서 시료를 수집했다. 여름 해빙 축소가 해류 재편 촉진 이번 연구의 공동저자인 독일 알프레드 베게너 연구소 벤자민 라베 교수는 "지속적인 기온 상승과 여름 해빙 축소는 북극해의 표층 순환을 크게 바꾸고 있으며, 이는 담수 및 오염물질의 확산 범위와 속도에 중대한 영향을 미칠 수 있다"고 경고했다. 이어 "이러한 변화는 북극 생태계뿐 아니라 해양 생지화학적 순환, 전 지구적 해양 역학에도 광범위한 파급 효과를 미칠 것"이라고 덧붙였다. 연구팀은 이번 결과가 특정 오염물질의 농도나 영향에 초점을 맞추기보다는, 물질의 운반 메커니즘 그 자체를 밝힌 데 의의가 있다고 강조했다. 라우커트 박사는 "트랜스폴라 드리프트조차 이렇게 가변적이라면, 북극해 전체는 우리가 이전에 생각한 것보다 훨씬 더 민감하고 변동성이 클 수 있다"고 지적했다. 이번 연구는 기후 변화로 인한 극지방 해양 구조의 근본적 변화 가능성을 제시함으로써, 향후 북극 오염 물질의 확산 양상 예측과 생태계 보호 정책 수립에 중요한 과학적 기반을 제공할 것으로 기대된다. ◇ 참고 문헌: "트랜스폴라 드리프트를 따라 역동적인 해빙 경로가 시베리아 물질의 분산을 증폭시킨다(Dynamic ice–ocean pathways along the Transpolar Drift amplify the dispersal of Siberian matter)" 2025년 4월 14일, Nature Communications.
- ESGC
2025-04-17 09:08:00
[신소재 신기술(168)] "쌀알만 한 뇌, 우주만큼 정밀하게 해부됐다"

쌀알만 한 생쥐 뇌 조직의 정밀 해부를 통해 신경세포 8만4000개와 5억 개의 시냅스, 5.4㎞에 달하는 신경망이 드러났다. 9년에 걸쳐 진행된 국제 공동 연구가 포유류 뇌를 가장 정밀하게 해부한 커넥톰을 완성 한 것이다. 인공지능(AI) 기술과 인간의 손길이 결합된 이번 프로젝트는 뇌과학의 디지털 전환을 본격화하는 전환점이 될 전망이다. 미국 프린스턴대학교, 스탠퍼드대학교, 텍사스 베일러 의과대학, 시애틀 앨런 뇌과학연구소 등 22개 연구기관 소속 150명 이상이 참여한 국제 공동연구팀은 생쥐 뇌의 1㎣도 채 되지 않는 부위에서 8만4000개의 신경세포와 5억 개 이상의 시냅스 연결, 5.4㎞ 길이의 신경망 구조를 밝혀냈다. 이는 현재까지 포유류 뇌를 대상으로 한 가장 정밀하고 방대한 커넥톰(connectome·신경연결지도)으로 기록됐다. 연구팀은 뇌 지도를 만들면서 수만 개의 개별적인 나무 모양의 뉴런을 디지털 방식으로 풀어내고, 각 뉴런의 고유한 가지 시스템을 추적한 다음, 이를 하나하나 재구성해 광대한 회로 네트워크를 만들었다. 이를 커넥톰이라고 부른다. 프린스턴 대학교는 이번 연구는 9년간 진행됐으며 22개 기관의 150명 이상의 연구자들이 이 프로젝트에 참여했다고 밝혔다. 이번 연구는 미국 베일러 의과대학에서 시작됐다. 과학자들은 특수 현미경을 사용해 생쥐가 러닝머신 위에서 10초 동안 베이스점프, 루지 등 다양한 익스트림 스포츠, 애니메이션, 영화 매트릭스, 매드맥스: 분노의 도로 등의 비디오 영상을 보는 동안 쥐의 시각 피질 1㎣(세제곱밀리미터) 부분의 뇌 활동을 기록하는 방식으로 진행됐다. 이후 앨런 연구소 연구팀은 생쥐 뇌를 2만8000개 층으로 절단하고, 인공지능(AI) 분석과 인간의 수작업 검수를 결합해 신경세포 간 연결망을 일일이 추적해 재구성했다. 연구팀이 진행한 코티컬 네트워크(Cortical Networks)의 머신 인텔리전스인 MICrONS 프로젝트는 지금까지 포유류 뇌의 가장 자세한 배선도를 구축했으며, 이 배선도는 온라인에서 무료로 이용할 수 있다. 이번 연구를 총괄한 데이비드 마코위츠 박사는 "인간 게놈 프로젝트에 비유되는 신경과학의 분수령"이라고 평가했다. 이어 프린스턴 대학교의 또 다른 연구팀은 인공지능과 머신러닝을 사용하여 세포와 연결망을 3D 입체로 재구성했다. 뇌 활동 기록과 함께, 이 입체에는 5억 2300만 개의 시냅스(20만 개의 세포를 연결하는 연결점)와 4km 길이의 축삭(다른 세포로 뻗어 나가는 가지)이 포함되어 있다. 스탠퍼드대학교 신경과학자 안드레아스 톨리아스 교수는 "이 연구는 구조와 기능을 동시에 기록한 최초의 사례"라며 "우리가 세계를 인식하고 감정을 느끼고 결정을 내리는 뇌의 생물학적 구조를 데이터로 포착한 것"이라고 강조했다. 연구팀은 이를 통해 단순한 신경 배치도뿐 아니라, 각 신경세포 간 상호작용과 정보 전달 방식까지 시각화해냈다. 과거 곤충의 뇌를 대상으로 한 연결지도는 존재했지만, 이번처럼 포유류 뇌의 고도 복잡성을 구현한 사례는 처음이다. 프린스턴대 신경과학자 세바스찬 승 교수는 "이번 연구를 통해 구현한 커넥톰(connectome)은 뇌과학의 디지털 전환을 여는 출발점"이라며 "이 기술은 신경 연결의 이상 패턴을 식별하고, 치매 등 뇌 질환의 원인을 규명하는 데 획기적인 전기를 마련할 것"이라고 말했다. 이 연구는 뇌의 새로운 특성, 유형, 조직 및 기능 원리, 세포 분류의 새로운 방식을 밝혀냈다. 특히 뇌 안의 새로운 억제 원리를 발견한 것은 이번 연구의 가장 큰 성과로 평가된다. 과학자들은 이전에 신경 활동을 억제하는 억제 세포를 다른 세포의 활동을 약화시키는 단순한 힘으로 생각했다. 반면 연구팀은 훨씬 더 정교한 수준의 의사소통을 발견했다. 억제 세포는 무작위로 행동하는 것이 아니라, 어떤 흥분 세포를 표적으로 삼을지 매우 선택적으로 결정하여 네트워크 전체에 걸친 조정 및 협력 시스템을 구축한다. 어떤 억제 세포는 함께 작용하여 여러 흥분 세포를 억제하는 반면, 어떤 억제 세포는 특정 유형의 세포만을 표적으로 삼아 더욱 정밀하게 작용한다. 뇌의 형태와 기능을 이해하고, 뉴런 간의 세부적인 연결을 전례 없는 규모로 분석할 수 있는 능력은 뇌와 지능 연구에 새로운 가능성을 열어준다. 또한 알츠하이머병, 파킨슨병, 자폐증, 조현병과 같이 신경 전달 장애를 수반하는 질환에도 영향을 미칠 수 있다. 공개된 이번 데이터는 인공지능 연구는 물론, 뇌 질환 조기 진단, 치료법 개발 등 다양한 분야에 활용될 수 있다. 특히 인간의 뇌가 정보 처리 속도나 효율성 측면에서 현존하는 어떤 AI보다도 앞선 이유를 설명하는 데 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다. 앨런 연구소 부연구원인 누노 다 코스타 박사는 "고장 난 라디오가 있는데 회로도를 가지고 있다면 수리하기가 더 수월할 것"이라고 이번 연구의 성과를 비유했다. 그는 "우리는 이 모래알(뇌 세포)에 대한 일종의 구글 지도 또는 청사진을 제시하고 있다. 앞으로 이를 활용하여 건강한 쥐의 뇌 배선과 질병 모델의 뇌 배선을 비교할 수 있을 것이라고 강조했다. 이 연구 결과는 과학저널 '네이처(Nature)'에 일련의 논문으로 발표됐다.
- IT/바이오
2025-04-14 09:53:00
[퓨처 Eyes(79)] 꿈의 양자 컴퓨터 현실로 성큼…안정성과 혁신 향상 기대

미래를 혁신할 핵심 기술로 주목받는 양자 컴퓨터는 뛰어난 잠재력에도 불구하고 극도로 민감한 특성 때문에 '믿을 수 없는' 존재로 여겨져 왔다. 하지만 최근 과학계에서는 이러한 한계를 극복하고 꿈의 양자 컴퓨터를 현실로 만들기 위한 획기적인 연구 결과들이 잇따라 발표되고 있다. 주변 환경의 미세한 방해에도 안정적인 연산을 가능하게 하는 '마법 입자'에 대한 연구와, 기존 물리학의 상식을 뛰어넘는 특이한 성질을 가진 새로운 물질을 합성한 연구는 양자 컴퓨터 상용화의 길을 더욱 밝히고 있다. 불안정이라는 꼬리표를 떼고, 인류의 난제를 해결할 열쇠가 될 양자 컴퓨터. 그 꿈을 현실로 성큼 다가서게 만든 두 가지 혁신적인 연구 결과를 따라가 보자. 기존의 컴퓨터는 0과 1, 두 가지 상태만으로 정보를 처리하는 반면, 양자 컴퓨터는 큐비트라는 특별한 단위를 사용한다. 큐비트는 0과 1은 물론, 0과 1이 동시에 존재하는 '중첩'이라는 신비한 상태를 가질 수 있어 기존 컴퓨터로는 풀기 어려웠던 복잡한 문제들을 훨씬 빠르게 해결할 것으로 기대된다. 하지만 큐비트는 주변의 아주 작은 소리나 빛, 온도 변화에도 쉽게 영향을 받아 그 상태가 깨져버리는, 마치 모래성 같은 존재다. 과학자들은 오랫동안 이 불안정성을 극복하고 안정적인 양자 컴퓨터를 만드는 방법을 찾아왔다. 마요라나 입자, 양자 안정성의 새로운 희망 최근 옥스퍼드 대학교, 델프트 공과대학교, 아인트호벤 공과대학교 연구팀과 퀀텀 머신즈 등 국제 공동 연구팀은 '마요라나 영 모드(Majorana zero modes, MZM)'라는 특별한 입자를 이용하여 양자 컴퓨터의 안정성을 획기적으로 높일 수 있는 방법을 찾아냈다. 마요라나 영 모드는 주변 환경의 방해에도 강하게 저항하는 특이한 준입자로, 마치 옷감처럼 튼튼하게 얽혀 있어 외부의 간섭에도 쉽게 그 상태가 변하지 않아 이론적으로 오랫동안 안정적인 양자 정보를 저장하고 처리하는 데 매우 적합한 후보로 여겨져 왔다. 하지만 실제로 이 입자를 안정적으로 구현하는 것은 매우 어려운 과제였다. 연구팀은 양자점과 초전도 물질을 연결하여 만든 '3-사이트 기타예프 사슬'이라는 특별한 구조를 아주 정밀하게 설계했다. 이 특별한 사슬 구조는 마요라나 영 모드들을 마치 안전한 방에 격리시키듯, 서로 멀리 떨어뜨려 외부의 불안정한 요소로부터 보호하는 역할을 한다. 이 구조 안에서 마요라나 영 모드들이 서로 멀리 떨어져 안정적으로 존재할 수 있는 최적의 지점, 즉 '스위트 스폿'을 찾아낸 것이다. 이렇게 분리된 마요라나 영 모드들은 원치 않는 상호 작용을 줄이고 외부 노이즈에 대한 저항력을 크게 높여준다. 해당 연구 결과는 학술지 네이처 나노테크놀로지에 게재됐다. 연구를 이끈 옥스퍼드 대학교 재료학과의 그레그 매주어 박사는 "이번 연구 결과는 기타예프 사슬을 확장하는 것이 마요라나 안정성을 유지할 뿐만 아니라 향상시킨다는 것을 증명하는 중요한 진전"이라며, "옥스퍼드에 새로 설립한 연구 그룹을 통해 이 연구를 더욱 발전시켜 더욱 확장 가능한 양자점 플랫폼을 만드는 데 집중할 것"이라고 밝혔다. 앞으로 연구팀은 이 사슬을 더 길게 늘려 마요라나 영 모드들이 외부 환경으로부터 더욱 완벽하게 격리되어 안정성이 기하급수적으로 높아질 것으로 기대하고 있다. 이는 실용적인 양자 컴퓨터 개발에 중요한 발걸음이다. 새로운 물질의 탄생, 양자 기술의 혁신을 이끌다 한편, 러트거스 대학교 연구팀이 주도하는 국제 연구팀은 최근 기존의 양자 물리학으로는 이해하기 어려웠던 두 가지 특별한 물질을 결합하여 새로운 인공 구조를 만드는 데 성공했다. 마치 샌드위치처럼 얇게 쌓아 올린 이 구조는 미래 양자 컴퓨터의 핵심 재료가 될 수 있을 것으로 주목받고 있다. 연구팀이 결합한 두 가지 물질은 각각 독특한 성질을 가지고 있어 오랫동안 '불가능한 물질'로 여겨져 왔다. 하나는 원자력 발전소에서 방사성 물질을 가두는 데 사용되는 다이스프로슘 티타네이트로, 자연계에서 찾기 어렵다는 '자기 홀극(자기 단극)'이라는 특별한 입자를 붙잡아 둘 수 있는 성질을 가지고 있다. 마치 물 분자처럼 특별한 배열을 가진 이 물질은 내부에 작은 자석들이 갇혀 있어, 특정 조건에서 마치 N극만 있거나 S극만 있는 자석처럼 행동하는 자기 홀극을 만들어낼 수 있다. N극과 S극이 항상 함께 있는 일반적인 자석과 달리, 자기 홀극은 N극 또는 S극 중 하나만 가진 자석과 같은 입자다. 노벨상 수상자인 폴 디랙이 1931년에 그 존재를 예측했지만, 우주에서는 아직 발견되지 않았다. 다른 하나는 파이로클로어 이리데이트라는 새로운 자기 반금속으로, 독특한 전자적, 위상적, 자기적 특성 때문에 주로 실험 연구에 사용된다. 이 물질 안에는 빛처럼 빠르게 움직이고 회전 방향도 다른 '바일 페르미온(Weyl Fermions)'이라는 아주 작은 입자가 들어있다. 이 입자들은 마치 빛과 같은 속도로 움직이며, 전자의 흐름을 제어하는 데 매우 유용하여 미래의 초고속 전자 소자나 양자 컴퓨터의 재료로 주목받고 있다. 1929년 헤르만 바일에 의해 예측된 이 입자는 2015년에 처음으로 결정 형태로 발견되었으며, 전기를 매우 잘 통하게 하고 자기장이나 전자기장에 특별하게 반응하는 성질을 가지고 있어 전자 장치의 재료로 사용될 때 매우 안정적이다. 러트거스 대학교 물리학 및 천문학과의 자크 차칼리안 교수는 "이번 연구는 이전에는 불가능했던 방식으로 완전히 새로운 인공 2차원 양자 물질을 설계하는 새로운 방법을 제시하며, 양자 기술을 발전시키고 그 기본 속성에 대한 더 깊은 통찰력을 제공할 잠재력을 가지고 있다"고 말했다. 연구팀은 'Q-DiP'라는 새로운 장비를 직접 제작하여 이 두 가지 '불가능한' 물질을 원자 수준에서 정밀하게 쌓아 올리는 데 성공했다. 이 새로운 물질은 양자 컴퓨터는 물론, 차세대 양자 센서와 같은 첨단 기술에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 미래를 바꿀 양자 기술, 우리의 삶에 미칠 영향 지금까지 우리는 양자 컴퓨터라는 꿈을 향한 두 갈래의 획기적인 발걸음을 지켜보았다. 한 연구는 양자 컴퓨터의 안정성을 높이는 데 초점을 맞추었고, 다른 연구는 혁신적인 특성을 가진 새로운 물질을 제시했다. 극미의 세계에서 펼쳐지는 과학자들의 끊임없는 탐구는, 한때 공상과학 소설 속 이야기로만 여겨졌던 양자 컴퓨터를 현실의 문턱 앞으로 데려왔다. 양자컴퓨팅 기술이 상용화되면 신약 개발과 의학 연구에 혁신을 일으키고, 금융 , 물류, 제조 분야 등에서 비용을 획기적으로 절감해 일상 생활에 큰 영향을 미칠 것으로 보인다. 과학자들은 양자기술이 머신러닝 알고리즘에도 혁신을 일으켜 인공지능(AI) 시스템을 더욱 강력하게 만들 것으로 기대하고 있다. 불안정성을 극복하려는 노력과 상상조차 어려웠던 새로운 물질의 탄생은, 앞으로 우리가 경험하게 될 미래 컴퓨팅의 혁신을 예고하는 듯하다. 어쩌면 가까운 미래에는 지금은 상상할 수조차 없는 놀라운 능력으로 인류의 숙제를 해결하는 양자 컴퓨터가 우리 곁에 함께하게 될지도 모른다. 우리가 상상하는 미래는 과연 어떤 모습일까? 과학의 발걸음이 멈추지 않는 한, 꿈은 현실이 될 날을 기다리고 있다.
- 포커스온
2025-04-10 13:08:00
[ESGC] '조용히, 그러나 치명적으로'…일상 속 플라스틱이 인체 침투하는 나노 입자로 변하는 과정 규명

플라스틱이 쓰레기통을 넘어 인간 세포 내부까지 침투하고 있다는 경고가 거듭 나오고 있는 가운데 과학자들이 일반 플라스틱이 나노 플라스틱으로 분해되는 과정을 처음으로 규명했다. 미국 컬럼비아대 공대 연구진은 일상에서 사용되는 플라스틱이 어떻게 수십억 개의 미세·나노플라스틱으로 분해되어 환경과 인체를 위협하는지를 분자 수준에서 규명했다고 과학 전문매체 어스닷컴과 웹사이트 PHYS.org 등 다수 외신이 보도했다. 이 연구는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다. 바이러스보다 작은 입자, 세포핵까지 침투 75년 전 시장에 출시된 플라스틱은 자연 상태에서 햇빛, 열, 수분 등에 노출되면 눈에 보이지 않는 크기의 미세조각으로 분해된다. 특히 나노플라스틱은 1마이크로미터(μm) 이하의 크기로, 인간 세포막은 물론 세포핵까지 통과할 수 있을 만큼 작다. 연구를 이끈 사낫 쿠마르(Sanat Kumar) 컬럼비아대 화학공학과 교수는 "이런 입자들은 공기와 물, 식품은 물론 인체 혈액과 심지어 남극의 눈 속에서도 검출된다"고 설명했다. 플라스틱 구조의 붕괴 메커니즘 현재 사용되는 플라스틱의 약 75%는 '반결정성 고분자(semicrystalline polymer)'로 구성되어 있다. 강력한 현미경으로 보면 플라스틱은 단단한 결정 구조와 유연한 비결정 구조가 층을 이루며 결합돼 있다. 연구진은 이 구조 중 유연한 층이 환경 자극에 가장 먼저 손상되며, 이로 인해 플라스틱 전체 구조가 무너진다는 점에 주목했다. 즉, 단단한 층에서는 플라스틱 분자가 강한 결정 구조로 단단하게 조직되어 있다. 부드러운 층에서는 분자 구조가 없고 비정질의 덩어리를 형성한다. 이러한 층이 수천개 쌓이면 가볍고 내구성이 뛰어나며 매우 다재다능한 플라스틱 재료가 만들어진다. 연구팀은 부드러운 층에서 나노플라스틱으로 분해되기 시작하며 환경적 열화로 인해 시간이 지남에 따라 약해지고 플라스틱이 스트레스를 받지 않아도 부서질 수 있다는 것을 발견했다. 부드러운 층은 그 자체로 환경에서 빠르게 분해된다. 그런데 부드러운 층이 파괴되면서 단단한 층이 부서지면 문제가 발생하기 시작한다. 이러한 결정질 조각이 수 세기 동안 환경에 남아 인간을 포함한 생명체에 심각한 피해를 줄 수 있는 나노 플라스틱 및 미세 플라스틱으로 분해되는 것이다. 쿠마르 교수는 "매립지처럼 겉보기에는 조용한 조건에서도 유연한 층은 쉽게 붕괴된다"며 "이때 단단한 결정성 조각들이 분리되면서 나노플라스틱이 된다"고 설명했다. 이 입자들은 자연 분해가 거의 불가능해 수백 년간 환경에 잔존할 수 있으며, 공기 중이나 수계, 식품을 통해 인체로 유입될 수 있다. "세포 안에서 DNA 교란 가능성도" 가장 작은 나노플라스틱은 세포핵까지 침투해 유전물질(DNA)에 영향을 줄 수 있다. 쿠마르 교수는 "이 입자들은 석면(asbestos)과 유사한 행동을 보이며, 암, 심혈관 질환, 뇌졸증 등과의 연관 가능성이 제기된다"고 경고했다. 그는 이어 "이제는 나노플라스틱이 단순한 환경문제를 넘어, 건강 문제이자 경제적 부담이 될 수 있다는 점을 인식해야 한다"고 덧붙였다. 나노플라스틱 적게 배출하는 소재 개발 필요 연구진은 문제 해결을 위해 플라스틱 구조 자체를 개선하는 방향을 제시했다. 특히 유연한 층을 강화하면 플라스틱이 나노 조각으로 분해되는 속도를 늦출 수 있다는 설명이다. 쿠마르 교수는 "강도나 유연성을 해치지 않으면서도 구조를 안정화하는 기술이 충분히 가능하다"며 "플라스틱 폐기보다는 재활용 비율을 높이는 것이 장기적으로는 더 경제적일 수 있다"고 말했다. '보이지 않는 위협'에 대응할 시점 통계 데이터 플랫폼 스태티스타에 따르면 전 세계 플라스틱 폐기물 발생량은 지난 40년 동안 7배 이상 증가하여 연간 3억 6000만 톤에 달했다. 또한 2040년까지 전 세계 플라스틱 오염이 두 배로 증가할 것으로 예상했다. 현재 전 세계에서 재활용되는 플라스틱은 전체의 2%에 불과하다. 그 외 대부분은 자연 속에서 미세·나노플라스틱으로 변해 인간과 생태계를 위협하고 있다. 쿠마르 교수는 "플라스틱 폐기에는 보이지 않는 건강 비용이 따른다. 지금 행동하지 않으면 그 대가는 생각보다 클 것"이라고 경고했다. 이번 연구는 우리가 일상적으로 사용하는 플라스틱 제품-물병, 식품 포장재 등-이 완전히 사라지는 것이 아니라 '작아질 뿐'이라는 사실을 과학적으로 증명했다. 플라스틱 오염 문제는 눈에 보이지 않는 크기로 조용히, 그러나 치명적으로 다가오고 있어 더욱 주의해야 한다. ◇ 참고 문헌: Nicholas F. Mendez et al, '반결정성 폴리머에서 정지 나노플라스틱 형성의 메커니즘', Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-58233-3
- ESGC
2025-04-10 09:53:00
[기후의 역습(127)] 마지막 빙하기 이후 해수면은 얼마나 상승했을까?

지구 온난화로 극지방 빙하가 녹아내려 해수면 상승 경고가 이어지는 가운데, 과학자들이 마지막 빙하기 이후 해수면이 얼마나 상승했을지 주목하고 있다. 지층에 새겨진 과거의 기록을 바탕으로 현재와 미래를 대비할 수 있기 때문이다. 끊임없이 변화하는 지구의 역동적인 힘은 수천년에 걸쳐 격렬하고 점진적인 방식으로 지각 변동, 균열, 재형성을 반복해왔다. 빙하는 사라지고 나타났으며, 해수면 상승과 저하는 육지를 삼켰다가 다시 드러내기를 반복했다. 이러한 과정 속에서 해수면은 상승과 하락을 거듭하며 해안선을 형성하고 때로는 광대한 영역을 수몰시키며 지층 속에 고유의 기록을 남겼다. 네덜란드 공동 연구팀은 최근 국제 학술지 '네이처'를 통해 약 1만 1700년 전 홀로세 초기 해수면 상승에 대한 드물고 상세한 분석 결과를 제시했다. 네덜란드 선박을 위한 광학 시스템 델테어즈(Deltares), 위트레흐트 대학교(Utrecht University), 네덜란드 왕립 해양 연구소(NIOZ)의 연구진이 주도한 이 연구는 과거 빙상의 놀라운 융해 속도를 밝히고, 현대 기후 위기와 섬뜩한 유사점을 제시하고 있다. 해당 연구에 대해서는 어스 닷컴이 보도했다. 북해, 해수면 상승으로 육지 수몰 한때 북해는 바다가 아닌 광활하고 거주 가능한 땅이었다. 그곳에는 강, 숲, 초기 인류 정착지가 있었다. 현재 북해 해저에 잠겨 퇴적층 속에 보존된 도거랜드(Doggerland)는 과거 해수면 상승으로 인해 수몰된 것으로 알려져 왔으나, 정확히 얼마나 빠른 속도로, 해수면이 얼마나 많이 상승했는지는 불확실했다. 연구팀은 해저에서 채취한 고대 이탄층과 시추공 샘플을 분석하여 놀라운 정밀도로 해수면 변화를 재구성했다. 연구 결과에 따르면 해수면은 꾸준히 상승한 것이 아니라, 특히 두 차례의 급격한 상승을 통해 극적인 방식으로 지형을 변화시켰다. 끊임없이 변화하는 지구 마지막 빙하기의 종말은 전 지구적 변화를 촉발했다. 기온이 상승하면서 북미와 유럽을 덮었던 거대한 빙하가 녹기 시작했다. 이 융해수는 일부는 천천히 바다로 흘러들어갔지만, 때로는 막대한 양이 한꺼번에 방출되기도 했다. 이번 연구에서는 약 1만300년과 8300년에 두 차례의 주요 급격한 해수면 상승이 있었음을 확인했다. 이 기간 동안 해수면은 100년 당 1m가 넘는 속도로 상승했는데, 이는 미래 최악의 시나리오 예측과 유사한 수준이다. 해수면의 이러한 급격한 상승의 한 가지 원인은 북미의 거대한 빙하호였던 아가사-오자브웨이 호수의 갑작스런 방류 사건이었다. 빙하 댐이 붕괴되면서 엄청난 양의 담수가 바다로 쏟어져 들어갔다. 이는 역사상 가장 빠른 해수면 상승 중 하나로 기록됐다. 이는 해안선을 재편하고, 정착지를 수몰시키며, 정착민이 다른 지역으로 이주할 수 밖에 없는 상황을 만들었다. 고대 해수면 상승 지도 작성 고대 해수면을 재구성하는 것은 쉬운 일이 아니다. 연구팀은 북해에서 88개의 해수면 데이터 포인트를 수집하고, 빙상 무게 감소 후 지반이 천천히 융기하는 현상인 빙하성 동위 평형 조정 효과를 제거했다. 그 결과 얼마나 많은 물이 바다로 흘러들어갔고, 얼마나 빠르게 이 과정이 진행되었는지에 대한 훨씬 더 명확한 그림을 얻을 수 있었다. 1만1000년전부터 3000년 전 사이의 해수면 상승에 대한 이전 추정치는 32m에서 55m사이였다. 이번 연구는 이전 추정치를 수정해 총 상승폭을 38m로 좁혔다. 이 업데이트된 수치는 지구 기후 시스템이 급격한 온난화에 어떻게 반응하는지에 대한 중요한 통찰력을 제공한다. 또 하나의 중요한 발견은 해수가 따뜻해지면서 팽창하는 열팽창 효과의 역할이었다. 지배적인 요인은 아니었지만, 이 과정은 여전히 전체 해수면 상승에 기여한다. 도거랜드, 수중 유적지로 변모 도거랜드는 불과 수천 년 만에 정착민이 번성했던 환경에서 수중 유적으로 변모했다. 숲은 사라지고, 강은 바다와 합쳐졌다. 전체 공동체가 파괴되거나 이주했다. 홀로세 초기 해수면 상승의 최고 속도는 연간 거의 9mm에 달했는데, 이는 현대 기후 예측을 주시하는 사람들에게 우려스러운 수치이다. 그린란드와 남극 대륙의 빙상은 이미 빠른 속도로 녹고 있다. 해수면은 상승하고 있으며, 과거 급격한 변화를 일으켰던 조건들이 또다시 나타나고 있다. 해수면 상승에 대한 과거로부터의 경고 델테어즈의 지질학자이자 이 연구의 주 저자인 마르크 히즈마 박사는 이번 연구 결과의 중요성에 대해 "이번 획기적인 연구를 통해 우리는 마지막 빙하기 이후 해수면 상승에 대한 더 나은 이해를 향한 중요한 발걸음을 내딛었다"고 말했다. 그는 "북해 지역의 상세한 데이터를 활용함으로써 우리는 빙상, 기후, 해수면 사이의 복잡한 상호 작용을 더 잘 풀어나갈 수 있다. 이는 과학자와 정책 입안자 모두에게 통찰력을 제공하여 현재 기후 변화의 영향에 더 잘 대비할 수 있도록 돕는다"고 덧붙였다. 기후 변화에 관한 정부간 협의체(IPCC)는 현재 추세가 지속된다면 2300년까지 해수면이 수 미터 상승할 수 있다고 경고했다. 일부 예측에서는 100년당 1m 이상 상승할 수 있다고 제시하는데, 이는 마지막 빙하기 이후 고대 세계가 경험했던 수준과 비슷하다. 고대 세계와의 가장 큰 차이점은 오늘날의 해안선에는 도시, 산업 시설, 그리고 수십억 명의 사람들이 거주하고 있다는 것이다. 그로 인한 위험 부담은 훨씬 더 크다. 도거랜드가 주는 교훈 현대 위성은 놀라운 정확도로 해수면 상승을 추적할 수 있다. 그러나 우리의 모든 기술에도 불구하고 지구 자체에 저장된 심층적인 기록을 대체할 수는 없다. 해저에는 인간의 기록 보관소와는 비교할 수 없는 기억, 즉 기후, 빙하, 물에 대한 오랜 역사가 담겨 있다. 도거랜드에서 얻은 데이터는 단순한 숫자와 그래프 그 이상이다. 더 이상 존재하지 않는 세계로부터의 메시지이다. 그것은 빙하가 너무 빨리 녹고, 해수면 상승이 통제되지 않고, 지구가 방해물을 거의 고려하지 않고 스스로를 재형성할 때 어떤 일이 일어나는지를 알려준다. 이 연구는 과거에 대한 것일 뿐만 아니라, 우리의 미래를 엿볼 수 있는 기회를 제공한다. 과거에 일어났던 일은 다시 일어날 수 있다. 유일한 차이점은 우리가 그 메시지에 귀를 기울일 것인지 여부이다.
- ESGC
2025-03-24 11:38:00
[신소재 신기술(162)] 국내 연구진, 박테리아 이용한 친환경 플라스틱 생산 기술 개발

국내 연구진이 최근 박테리아를 활용해 기존 플라스틱 생산 방식의 한계를 극복하고 친환경적인 폴리머 생산 가능성을 제시하는 연구 결과를 발표해 학계의 주목을 받고 있다. 플라스틱은 현대 사회에 필수적인 소재이지만, 생산 과정에서 화학 연료 기반 화학 물질 사용으로 인한 환경 문제와 폐기할 때 자연적으로 분해되지 않아 발생하는 환경 오염 문제가 지속적으로 제기되어 왔다. 이러한 가운데, 한국과학기술원(KAIST)의 생물분자공학자이자 공동저자인 이상엽 박사 연구팀은 포도당만을 연료로 사용해 유용한 폴리머를 생산할 수 있도록 박테리아는 유전자 조작하는 데 성공했다. 연구팀이 개발한 시스템은 박테리아가 특이한 영양 조건이 직면했을 때 사용하는 효소를 기반으로 하며, 다양한 종류의 폴리머를 생산할 수 있도록 조절이 가능하다. 해당 연구에 대해서는 과학기술 전문매체 아르스 테크니카, 네이처닷컴, PHYS.org 등 다수 매체가 17일(현지시간) 보도했다. 네이처 닷컴에 따르면, 매년 전세계적으로 약 4억 톤의 분해 불가능한 석유 기반 플라스틱 폐기물과 미세 플라스틱이 생산되어 야생동물과 인간의 건강을 위협하고 지구를 오염시키고 있다. 탄소 과잉 상태를 활용한 폴리머 합성 메커니즘 연구진은 박테리아 세포가 폴리하이드록시알카노에이트(PHA·폴리에스테르)를 생성하는 시스템에 주목했다. PHA는 박테리아 세포가 탄소원과 에너지를 충분히 공급받지만, 성장과 분열에 필요한 특정 영양소가 부족할 때 생성되는 화학 물질이다. 이러한 환경에서 박테리아 세포는 탄소 원자를 포함하는 작은 분자들을 연결하여 거대한 폴리머를 형성한다. 이후 영양 조건이 개선되면, 박테리아는 이 폴리머를 분해하여 개별 분자들을 에너지원으로 활용할 수 있다. 이 시스템의 핵심적인 특징은 폴리머를 구성하는 단량체의 종류에 크게 구애받지 않는다는 점이다. 지금까지 150가지 이상의 다양한 작은 분자들이 PHA에 통합될 수 있음이 확인됐다. 폴리머를 합성하는 효소인 PHA 합성 효소는 분자가 에스터 결합을 형성할 수 있는지 여부와 세포 내 생화학 반응의 중간체로 흔히 사용되는 코엔자임 A에 결합될 수 있는지 여부만을 중요하게 고려하는 것으로 나타났다. 일반적으로 PHA 합성 효소는 산소 원자를 통해 분자들을 연결하지만, 아미노산에서 발견되는 것과 같이 질소 원자를 통해 연결되는 유사한 화학 결합을 형성하는 것도 가능하다. 그러나 이러한 반응을 촉매하는 효소는 지금까지 알려진 바가 없었다. 이에 연구진은 기존 효소들이 통상적으로 수행하지 않는 반응을 유도할 수 있는지 실험하기로 결정했다. 연구진은 클로스트리디움(Clostridium) 속 박테리아에서 유래한 효소를 활용했는데, 이 효소는 다양한 화학 물질과 상호작용하는 것으로 알려져 있다. 실험 결과, 이 효소는 아미노산을 코엔자임 A에 비교적 효과적으로 결합시켰다. 아미노산들을 서로 연결하기 위해 연구진은 슈도모나스(Pseudomonas) 속 박테리아에서 유래한 효소에 네 가지 돌연변이를 도입하여 반응 물질의 범위를 넓혔다. 시험관 내 실험에서 이 시스템은 성공적으로 작동하여 아미노산들이 폴리머 형태로 연결되는 것을 확인했다. 세포 내 발현 및 생산량 증대 노력 다음 과제는 이 시스템이 실제 세포 내에서도 작동하는 지 확인하는 것이었다. 불행히도 사용된 두 효소 중 하나가 대장균(E. coli)에 약한 독성을 나타내 성장을 저해하는 것으로 밝혀졌다. 이에 연구팀은 해당 단백질을 내성적으로 발현하는 대장균 균주를 개발했다. 이 두 단백질을 모두 발현시킨 결과, 세포는 소량의 아미노산 폴리머를 생산했다. 배지에 특정 아미노산을 과량으로 첨가하면, 생성되는 폴리머에 해당 아미노산의 함량이 높아지는 경향을 보였다. 하지만 박테리아 무게 대비 폴리머 생산량은 다소 낮은 수준이었다. 연구팀은 "이러한 [아미노산]들은 적절한 탄소원으로부터 세포 내에서 생성될 경우 폴리머에 보다 효율적으로 통합될 수 있을 것"이라고 판단했다. 이에 특정 아미노산(라이신) 생산에 필요한 유전자 복제본을 추가적으로 도입했다. 그 결과 더 많은 폴리머가 생산됐으며, 폴리머 내 라이신 함량 비율도 높아졌다. 생성된 폴리머 대부분에는 에스터 결합을 형성할 수 있는 젖산이 상당량 포함되어 있었다. 젖산은 포도당 대사 과정의 잠재적 산물 중 하나이므로 세포 내에 자연적으로 많이 존재한다. 이에 연구팀은 젖산 생성의 주요 효소를 암호화하는 유전자를 제거해 폴리머에 통합되는 젖산의 양을 현저히 줄였다. 연구진은 다양한 조건에서 실험을 진행하여 두 가지 다른 아미노산 단량체의 혼합물로 이루어진 폴리머를 만들 수 있음을 입증했으며, 혼합물에 비아미노산 물질을 통합하는 데에도 성공했다. 대장균 균주에 몇 가지 추가적인 효소를 도입함으로써 박테리아 무게 대비 폴리머 생산량을 50% 이상으로 끌어올렸다. 또한, 중합 반응을 담당하는 효소에 돌연변이를 도입하여 특정 아미노산이 생성되는 폴리머에 선택적으로 더 많이 통합되도록 조절할 수 있음을 확인했다. 다양한 물성 조절 및 생분해 가능성 제시 연구팀이 개발한 시스템은 매우 유연하여 광범위한 학 물질을 폴리머에 통합할 수 있다는 점이 가장 큰 특성이다. 이는 생성되는 플라스틱의 다양한 물성을 조절할 수 있도록 해줄 것으로 기대된다. 또한, 효소를 통해 결합이 형성되었으므로 생성된 폴리머는 거의 확실하게 생분해될 가능성이 높다. 다만 몇가지 한계점도 존재한다. 폴리머에 통합되는 물질을 완전히 통제할 수는 없다는 것이다. 특정 아미노산 또는 기타 화학 물질의 혼합 비율을 높일 수는 있지만, 효소가 세포 내 대사 과정에서 생성되는 임의의 하학 물질을 어느 정도 수준으로 통합하는 것을 완전히 막을 수는 ㅇ첪다. 또한 생산된 폴리머를 제조 공정에 적용하기 전에 다른 세포 구성 성분으로 정제해야 하는 문제와 대규모 산업 생산에 비해 생산 속도가 느리다는 점도 해결해야 할 과제다. 비록 이 기술이 당장 전 세계 플라스틱 생산을 대체할 수 있는 수준은 아니지만, 생물 기반 제조의 잠재력을 훌륭하게 보여주는 연구 결과라는 평가를 받고 있다. 본 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 케미컬 바이올로지(Nature Chemical Biology)' 2025년 3월 18일 자 온라인판에 게재됐다. ◇ 참고 문헌: Tong Un Chae et al, Biosynthesis of poly(ester amide)s in engineered Escherichia coli, Nature Chemical Biology (2025). DOI: 10.1038/s41589-025-01842-2
- ESGC
2025-03-18 14:25:00
[퓨처 Eyes(75)] 액체처럼 흐르는 황금빛 고체, '초고체' 탄생

레이저 빛을 초고체로 만드는 혁신적인 기술이 처음으로 개발됐다. 마법은 더 이상 동화속 이야기가 아니었다. 한 줄기 레이저 광선이 불가능을 현실로 바꾸며, 액체와 고체의 낯선 경계를 허무는 '황금빛 고체'를 눈 앞에 펼쳐냈다. 물리학자와 나노 기술자들로 구성된 국제 공동 연구팀이 마치 연금술같은 놀라운 기술로 레이저 빛을 '초고체(supersolid)'라는 미지의 물질 상태로 변환하는 데 세계 최초로 성공하며 오랫동안 과학계가 품어온 꿈을 마침내 실현했다. 이번 쾌거는 응축 물질 물리학의 오랜 숙원을 해결했을뿐 아니라, 상상조차 어려웠던 양자역학의 새로운 가능성을 활짝 열어젖힌 역사적인 순간으로 기록될 것이다. 해당 연구에 대해서는 네이처닷컴, 웹사이트 PHYS.org와 뉴사이언티스트, 퍼퓰러메카닉스 등 다수 외신이 심층적으로 다루었다. 일반적으로 양자 초고체는 양자 세계에서만 존재하는 실체로, 초저온 원자를 통해서만 형성되었지만 이탈리아 레체에 있는 국립연구위원회 나노기술 연구소(CNR Nanotec)의 과학자들이 이끄는 새로운 연구에서는 처음으로 빛을 사용하여 이 양자 물질 상태를 만들었다. 이전 연구에 따르면 초고체는 점도가 0이고 소금 결정에서 원자가 배열되는 방식과 유사한 결정과 같은 구조로 형성된다는 것이 밝혀졌다. 저명 학술지 '네이처'에 실린 이번의 놀라운 연구는 이탈리아 국립연구위원회(CNR)의 디미트리오스 트리포게오르고스 연구원의 지휘 아래 나노기술, 공학, 물리학 등 여러 분야의 국제적인 전문가들이 머리를 맞대 융합 연구를 거듭한 끝에 이룩한 값진 결실이다. 연구팀은 '빛의 연금술'이라고도 불러도 좋을만큼 혁신적인 접근 방식을 통해, 레이저 빛을 영원히 도달할 수 없는 꿈만 같았던 초고체로 완전히 탈바꿈시키는 기적을 만들어냈다. 레이저광으로 초고체 최초 구현 먼저 팀은 초고체를 만들기 위해 특수한 능선으로 형성된 갈륨 비소화물 조각에 레이저를 발사했다. 빛이 능선에 부딪히면서 빛과 재료 사이의 상호작용으로 플라리톤(polariton)이 형성됐다. 폴라리톤은 미리 설계된 방식으로 능선에 의해 제한됐고, 그로 인해 폴라리톤은 스스로 초고체를 형성했다. 그런 다음 연구팀은 만들어진 결과물이 진짜 초고체인지를 테스트했다. 이는 빛으로 만들어진 초고체가 이전에 생성된 적이 없다는 사실 때문에 매우 힘들었다. 그럼에도 연구팀은 초고체가 고체이자 유체이며 점성이 없다는 것을 확인했다. 트리포게오르고스 연구원은 감격에 찬 목소리로 "우리는 실제로 빛을 고체로 만들었다. 정말이지 믿기 어려울 정도로 놀라운 성취다"라고 외쳤다. 그의 목소리에는 이번 연구가 과학 역사의 새로운 장을 여는 기념비적인 사건이라는 평가가 충분히 담겨 있다. 미지의 물질 초고체, 과학계의 오랜 염원 초고체, 이름만 들어도 왠지 모르게 신비로운 느낌을 주는 이 물질은 마치 두 개의 얼굴을 가진 야누스와 같다. 점성이 전혀 없는 '초유동성'과, 원자들이 규칙적으로 빽빽하게 들어선 고체의 결정 구조를 동시에 지니고 있기 때문이다. 흐르는 액체의 자유로움과 단단한 고체의 견고함을 동시에 가진 초고체는 오랫동안 과학자들의 상상력을 자극하며, 미지의 영역 속에 머물러 있었다. 소금 결정처럼 질서 정연하게 늘어선 원자들 사이를 액체처럼 자유롭게 움직이는 초고체의 기묘한 이중성은, 현대 과학의 오랜 난제 중 하나였다. 특히 초고체는 극도로 낮은 기온, 즉 일반적인 상상으로는 가늠하기 어려운 극한 환경에서, 그것도 원자라는 극히 제한적인 재료로만 만들수 있었기에, 그 심오한 비밀을 파헤치는 것은 마치 별을 헤는 것만큼이나 어려운 일이었다. 반도체, 레이저 그리고 '폴라리톤'⋯빛의 마법이 현실이 되다 하지만 '불가능은 없다'는 인간의 불굴의 의지와 끊임없는 탐구 정신은, 마침내 과학의 역사를 진전시키는 놀라운 결과를 낳았다. 이번 연구팀은 오랫동안 굳어져 왔던 기존 연구의 틀을 과감하게 부수고, 완전히 새로운 길을 개척했다. 극저온, 원자라는 낡은 공식을 과감히 버리고, '알루미늄 갈륨비소' 반도체와 레이저 빛의 절묘한 조합을 통해 초고체 창조라는 꿈을 마침내 현실로 불러왔다. 연구진은 나노미터(10억분의 1미터) 수준의 초정밀 기술을 동원해 좁고 규칙적인 능선 패턴을 새겨 넣은 특별한 알루미늄 갈륨비소 웨이퍼를 제작하고, 이 혁신적인 반도체 구조에 레이저를 정밀하게 쏘았다. 레이저 빛이 능선에 부딪히는 찰나, 빛과 물질 사이에서 지금껏 상상 속에서만 가능했던 마법과 같은 상호작용이 눈앞에서 펼쳐졌다. 그 결과, '폴라리톤'이라는, 이전에는 알려지지 않았던 새로운 종류의 혼성 입자가 마치 마법처럼 탄생했다. 능선 패턴이라는 특수한 환경은 폴라리톤의 움직임과 에너지 레벨을 숙련된 조련사처럼 정교하게 통제했고, 마침내 폴라리톤들은 스스로 응축하며 꿈에서 그리던 물질, 초고체로 변신했다. 양자 기술 혁명의 도화선, 빛 기반 초고체의 무한한 가능성 이번 연구가 더욱 값진 이유는 단순히 빛을 초고체로 바꾸는 데 성공한 것을 넘어, 빛으로 만들어진 초고체의 놀라운 특성을 과학적인 실험으로 명확하게, 그리고 최초로 입증했다는 점이다. 공동 연구팀의 핵심 연구자인 다니엘레 산비토 CNR 연구원은 "빛으로 초고체를 만들고, 실제로 존재한다는 것을 실험적으로 증명하는 것은 과거에는 상상조차 할 수 없었던 미지의 영역에 발을 내딛는 것과 같았다. 우리 손으로 만들어낸 초고체가 과연 고체와 액체의 성질을 모두 가진 진정한 초고체인지, 아무도 걸어보지 않은 길을 걸으며 확인하는 과정은 마치 미지의 대륙을 탐험하는 것만큼이나 험난하고 가슴 뛰는 여정이었다"며 연구 과정 당시의 숨 막힐 듯한 긴장감을 전했다. 수많은 밤을 지새우는 실험과 고도의 분석을 거듭한 끝에, 연구진은 빛으로 빚어낸 초고체가 고체와 액체의 이중적인 모습을 완벽하게 드러내며, 점성이 '0'이라는 믿기 힘든 특성을 가지고 있음을 전 세계 과학계에 당당히 선언하는 데 성공했다. 프랑스 소르본 대학교의 알베르토 브라마티 교수는 "이번 연구는 응축 물질 물리학 분야의 오랜 숙제를 마침내 해결했을 뿐 아니라, 물질의 상전이, 특히 양자 물질이 그 상태를 변화시키는 근본 원리에 대한 깊이 있는 통찰력을 인류에게 선사하는 획기적인 과학적 성취"라고 극찬하며, "빛 기반 초고체 연구는 앞으로 양자 기술 분야에 지금껏 상상조차 할 수 없었던 혁신적인 응용 가능성을 활짝 열어줄 것이다"라고 밝은 미래를 예견했다. 트리포게오르고스 연구원은 "빛으로 만든 초고체는 기존의 원자 초고체에 비해 훨씬 정밀하게 제어할 수 있고, 훨씬 더 편리하게 다룰 수 있는 엄청난 잠재력을 품고 있다"고 강조하며, "이번 연구를 기회 삼아, 이제까지는 그 누구도 감히 상상하지 못했던 미지의 물질 세계를 탐험하고, 궁극적으로 우리 인류의 미래를 획기적으로 바꿀 양자 기술 발전에 작게나마 기여할 수 있기를 간절히 희망한다"는 뜨거운 열정을 내비쳤다. 한 줄기 빛에서 시작된 작은 불꽃이, 마침내 과학 역사의 거대한 불꽃으로 타오르기 시작했다. 빛의 연금술로 빚어낸 꿈의 물질, 초고체가 우리에게 선사할 미래는 과연 어떤 모습일까? 응축 물질 물리학은 물론, 양자 컴퓨팅, 양자 센서 등 모든 첨단 기술 분야를 뿌리부터 뒤흔들 혁명의 드라마가, 바로 지금, 눈앞에서 펼쳐지려 하고 있다. ◇ 참조: Dimitrios Trypogeorgos et al, Emerging supersolidity in photonic-crystal polariton condensates, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08616-9 광자를 사용하여 만든 초고체, Nature (2025). DOI: 10.1038/d41586-025-00637-8
- 포커스온
2025-03-13 13:55:00
[우주의 속삭임(102)] 나선 성운, 별의 장렬한 최후…행성 삼키는 백색왜성 포착

한때 태양과 같은 별이었으나, 이제는 행성을 집어삼키는 '죽음의 별' 백색왜성의 충격적인 모습이 포착됐다. 멕시코 국립 자치 대학과 스페인 안달루시아 천체물리학 연구소의 국제 공동 연구진은 나선 성운 중심부 백색왜성 WD 2226-210에서 방출되는 고에너지 X선이 행성에 의해 발생했을 가능성을 제기하며, 40년 넘게 지속된 천문학계의 난제를 해결할 실마리를 찾았다고 밝혔다. 미 항공우주국(나사·NASA)은 행성 성운의 중심에 있는 백색 왜성에 의해 행성이 파괴되었을 수 있으며 이러한 현상을 처음으로 관찰됐다고 밝혔다. 나사는 "이는 천문학자들이 40년 넘게 헬릭스 성운에서 감지해온 신비한 X-선 신호를 설명할 수 있다"며 "헬릭스 성운은 행성 성운(Planetary nebula)으로, 우리 태양과 같은 후기 단계의 별이 외층을 벗겨내고 그 중심에 백색왜성이라는 희미한 별을 남길 것"이라고 덧붙였다. 나선 성운은 수명을 다한 별이 외피층을 우주 공간으로 방출한 후 남은 백색왜성의 잔해로, '행성 성운'이라고도 불린다. 과거 아인슈타인 X선 관측선과 ROSAT 망원경은 나선 성운 중심부에 위치한 백색왜성 WD 2226-210에서 강력한 X선이 방출된다는 사실을 감지했으나, 통상적으로 백색왜성은 강력한 X선을 방출하지 않아 그 원인이 미스터리로 남아 있었다. 이러한 가운데, 멕시코 국립 자치 대학의 산디노 에스트라다-도라도 박사 연구진은 "WD 2226-210에서 감지된 X선 신호는 백색왜성으로 끌려온 행성 잔해 때문일 수 있다"는 가설을 제시하며, "40년 넘게 지속된 미스터리의 원인을 마침내 밝혀냈을지도 모른다"고 학술지 네이처(Nature) 자매지 '왕립천문학회 월보(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)'에 발표했다. '운명의 행성', 백색왜성에 파괴되는 순간 포착 연구진은 WD 2226-210 주변을 공전하는 해왕성 크기의 행성이 3일도 채 안 되는 짧은 주기로 백색왜성을 공전한다는 사실에 주목했다. 더욱 흥미로운 점은, 이 행성보다 훨씬 더 안쪽에 목성형 행성이 존재했을 가능성이 있다는 것이다. 연구진은 이 목성형 행성이 원래 백색왜성에서 멀리 떨어진 궤도를 돌았으나, 다른 행성과의 중력 상호작용으로 인해 점차 백색왜성 방향으로 이동했을 것으로 추정했다. 운명의 날은 예고 없이 찾아왔다. 목성형 행성이 백색왜성에 충분히 가까워지자, 백색왜성의 강력한 중력이 행성을 산산조각 내기 시작한 것이다. 안달루시아 천체물리학 연구소의 마틴 게레로 박사는 "우리가 감지해온 수수께끼의 X선 신호는 산산조각 난 행성 잔해가 백색왜성 표면으로 떨어지면서 고온으로 가열되어 X선으로 빛나는 것일 수 있다"고 설명하며, "만약 이 가설이 입증된다면, 행성 성운 중심별에 의해 파괴되는 행성이 관측된 최초 사례가 될 것"이라고 강조했다. 연구 결과, ROSAT, NASA 찬드라 X선 관측선, ESA XMM-뉴턴 X선 관측선 등 세계적인 천문 관측 장비들이 1992년부터 2002년까지 WD 2226-210을 관측한 결과 X선 신호 밝기가 거의 일정하게 유지된 것으로 나타났다. 하지만 흥미로운 점은, 2.9시간마다 X선 신호에 미묘하고 규칙적인 변화가 감지되었다는 것이다. 연구진은 이 미세한 신호 변화가 백색왜성에 매우 가까이 붙잡힌 행성 잔해의 궤도 운동 때문일 가능성에 주목하고 있다. "태양과 유사한 별의 말년, 행성 운명 밝혀줄 단서" 연구진은 행성 대신 질량이 작은 별이 백색왜성에 파괴되었을 가능성도 고려했지만, 질량이 작은 별은 목성형 행성과 크기는 비슷하지만 훨씬 무겁기 때문에 백색왜성의 중력에 의해 파괴될 가능성이 희박하다고 판단했다. WD 2226-210은 행성상 성운 외부에 있는 다른 두 백색왜성과 X선 방출 특성이 유사한 점도 이러한 가설을 뒷받침한다. 이 두 백색왜성 중 하나는 행성 동반성에서 물질을 점진적으로 끌어들이고 있으며, 다른 하나는 행성 잔해의 흔적에서 물질을 끌어들이고 있을 가능성이 제기되었다. 연구진은 이 세 백색왜성이 새로운 유형의 변광 천체를 구성할 수 있다고 보고, 추가 연구를 통해 백색왜성 주변 행성 파괴 현상에 대한 이해를 넓힐 수 있을 것으로 기대하고 있다. 멕시코 국립 자치 대학의 헤수스 토알라 박사는 "태양과 같은 별이 노년기에 접어들 때 행성이 어떻게 생존하거나 파괴되는지 이해하는 데 중요한 단서를 제공할 수 있기 때문에, 이러한 시스템을 더 많이 발견하는 것이 중요하다"고 강조했다.
- 포커스온
2025-03-08 14:23:00
[기후의 역습(122)] 남극 오존층, 회복세 공식 확인…MIT, 완전 소멸 궤도 진입

한때 지구 생태계를 위협했던 남극 오존층 구멍이 국제 사회의 공동 노력으로 괄목할 만한 회복세를 보이며 완전 소멸을 향해 나아가고 있다는 고무적인 연구 결과가 발표됐다. 미국 매사추세츠공과대학교(MIT) 연구진은 5일(이하 현지시간) 국제 학술지 '네이처'에 게재한 논문에서 "남극 오존층이 95% 신뢰 수준으로 회복되고 있으며, 이는 자연적 기상 변동성이 아닌 오존층 파괴 물질 감축 노력의 직접적인 결과"라고 밝혔다. MIT 뉴스는 5일 "이러한 회복(오존층 구멍 회복)이 자연적인 기상 변화나 성층권으로의 온실가스 배출 증가와 같은 다른 영향보다는 오존 고갈 물질의 감소에 주로 기인환다는 것을 보여준 최초의 연구"라고 밝혔다. 수십 년간 과학계는 남극 오존층 구멍의 점진적 개선 징후를 관찰해 왔으나, 이번 연구는 장기간의 관측 데이터를 토대로 오존층 회복에 대한 확고한 과학적 증거를 제시했다는 점에서 의미가 깊다. 논문의 주저자인 MIT의 저명한 대기 화학자 수잔 솔로몬 교수는 성명을 통해 "남극 오존층 구멍이 개선되고 있다는 정성적 증거는 많았지만, 이번 연구는 오존층 회복에 대한 신뢰도를 처음으로 수치화했다"고 강조했다. 솔로몬 교수는 "95% 신뢰도로 회복되고 있다는 결론은 매우 놀라운 성과이며, 인류가 환경 문제 해결에 실제로 나설 수 있음을 보여준다"고 덧붙였다. CFCs 남용으로 오존층 구멍 형성 오존층은 지구 표면 15~30km 상공의 성층권에 위치하며, 대기 중 오존 농도가 높아 유해한 태양 자외선을 흡수하여 지구 생명체를 보호하는 역할을 한다. 그러나 1970년대와 80년대에 들어서면서 남극 상공의 오존층에 거대한 구멍이 형성되기 시작했다. 이는 에어로졸 스프레이, 용매, 냉매 등에 광범위하게 사용된 염화불화탄소(CFCs)와 같은 합성 화합물이 주범으로 지목됐다. CFCs는 성층권에 도달하면 염소 원자를 방출하여 오존 분자 분해를 촉진하는 것으로 알려져 있다. 특히 남극 지역은 극도로 낮은 기온, 극지방 성층권 구름의 존재, 그리고 오존층 파괴 화학 물질을 가두는 극 소용돌이와 같은 특수한 조건으로 인해 남반구의 봄철에 오존층 파괴가 더욱 심각하게 나타난다. 솔로몬 교수는 과거 미국해양대기청(NOAA) 소속으로 1986년 남극에 파견되어 CFCs가 오존층 파괴의 원인임을 입증하는 결정적인 증거를 수집하는 데 기여했다. 몬트리올 의정서 채택 이후 CFCs 단계적 폐지 이러한 과학적 근거를 바탕으로 국제 사회는 문제 해결을 위해 발 빠르게 움직였다. 1987년 몬트리올 의정서 채택 이후 197개국과 유럽연합(EU)은 냉장고와 에어로졸에 사용되는 CFCs와 같은 오존층 파괴 물질의 단계적 폐지에 합의했다. 지난 10년간 남극 오존층 구멍은 특히 9월, 남극이 온난해지기 시작하며 오존층 구멍이 가장 크게 열리는 시기에 매년 축소되는 긍정적인 신호가 나타났다. 그러나 대기 중 '혼란스러운 변동성' 때문에 과학자들은 섣불리 회복을 단정하기를 주저했으며, 일각에서는 회복 속도가 기대에 미치지 못한다는 주장이 제기되기도 했다. 하지만 15년간 축적된 관측 데이터를 분석한 결과, 연구진은 오존층이 확실히 회복되고 있다는 결론을 내렸다. 현재 추세가 유지된다면 남극 오존층은 약 10년 후 완전히 회복될 것으로 전망된다. 연구팀은 남극 오존 회복의 원인을 파악하기 위해 정량적 접근 방식을 취했다. 팀은 기후 변화 커뮤니티에서 '지문 분석(fingerprinting)'이라는 방법을 차용했다. 이는 클라우스 하셀만이 개발한 것으로, 그는 2021년 이 기술로 노벨물리학상을 수상했다. 기후의 맥락에서 지문 분석은 자연적 기상 노이즈와 별도로 특정 기후 요인의 영향을 분리하는 방법을 말한다. 하셀만은 지문 분석을 적용해 기후 변화의 인위적인 지문 식별, 확인 및 정량화했다. 솔로몬 교수 팀은 지문 분석법을 적용해 또 다른 인위적인 신호, 즉 사람들이 오존층 파괴 물질을 줄이는 것이 오존층 회복에 미치는 영향을 확인하고자 했다. 아울러 지구 대기의 시물레이션으로 시작해 서로 다른 시작 조건에서 동일한 지구 대기의 여러 '평행 세계' 또는 시뮬레이션을 생성했다. 연구팀은 예를 들어, 온실 가스나 오존층 파괴 물질의 증가가 없다고 가정한 조건에서 시뮬레이션을 실행했다. 또한 온실 가스만 증가하고 오존층 물질만 감소하는 시뮬레이션도 실행했다. 이러한 시뮬레이션을 통해 연구팀은 수십년에 걸쳐 오존이 매월 회복되는 시간과 고도를 매핑하고 오존 고갈 물질의 감소로 인한 오존 회복의 핵심 '지문' 또는 패턴을 식별했다. 그런 다음 연구팀은 2005년부터 현재까지 남극 오존층에 대한 실제 위성 관측에서 이 지문을 찾았다. 팀은 2018년에 이 지문이 가장 강했고, 오존 회복이 주로 오존층 파괴 물질의 감소 때문이라고 95%의 신뢰도로 확신했다. 솔로몬 교수는 "2035년쯤에는 남극 오존층에서 오존층 파괴가 전혀 나타나지 않는 해를 보게 될 수도 있다. 이는 매우 감격스러운 일"이라며 "우리 시대에 오존층 구멍이 완전히 사라지는 것을 목격하게 될 것"이라고 강조했다. 이번 연구는 인류가 국제적인 협력을 통해 심각한 환경 문제에 효과적으로 대응할 수 있음을 보여주는 대표적인 사례로 기록될 전망이다.
- 포커스온
2025-03-07 14:43:00

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