기초과학

신기술로 연간 2,000t 저탄소 고효율적 가소제 생산 전망

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중국과학원 다롄화학물리연구소 가오진(高進)/쉬제(徐傑) 연구팀은 산시옌창(陝西延長)석유(그룹)유한책임회사와 공동으로 중국 첫 연간 2,000t "오쏘자일렌(ortho-xylene) 액상산화-에스테르화" 산업시험장치를 구축하여 2019년 7월에 산업시험을 완료했다. 해당 시험장치는 작동하여 72시간 후 오쏘자일렌 전환율이 98%, 디메틸프탈레이트(dimethyl phthalate) 수율이 92.5%, 순도가 99%에 도달했다. 동 기술은 현재 과기성과 검증을 통과했으며 전문가들로부터 자체적 지식재산권을 보유하며 공법이 선진적이고 혁신성이 강할 뿐만 아니라 종합적 기술수준이 세계 선진수준에 도달했다는 평가를 받았다. 프탈레이트 에스테르(phthalate esters)는 주로 가소제로 쓰이며 PVC 등 고무/플라스틱 소재의 가소성, 유연성, 가공성 등 종합성능 향상에 사용된다. 동 기술은 전통적인 가스상 산화(gas phase oxidation) 공법에 비해 산화반응 온도를 160℃~180℃로 낮추었고 디메틸프탈레이트 수율을 12%~17% 향상시켰을 뿐만 아니라 오쏘자일렌 물질소비 및 CO2 배출량을 대폭 감소시킴으로써 프탈레이트 에스테르의 고효율, 안전, 저탄소, 청정화 산업생산에 핵심기술을 제공했다. 아울러 밝은 응용전망 및 양호한 사회적 효익을 달성했다. 이외, 새로 개발한 신형 탑식 산화반응기와 에스테르화 정류 장치는 쉽게 연속·안정적 작동 및 산업적 확장을 달성할 수 있다.

상하이유기화학연구소, 고속대량 유기합성 새 방법 발견

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중국과학원 상하이유기화학연구소 둥자자(董佳家) 연구팀은 안전하고 고효율적이며, 대량 획득이 가능한 1차 아민(primary amine) 화합물에서 시작해 아지드화합물 라이브러리를 직접 합성하는 방법을 발견했다. 해당 성과는 "Nature"에 게재되었다. 다학제적 접근이 나날이 강화됨에 따라 보다 고효율적인 합성을 통한 분자기능 구현이 합성학의 내적수요로 되었다. 기타 화학반응에 비해 클릭화학(Click chemistry)반응은 복잡한 환경에서 고도의 예측가능성을 보유하기에 많은 학제간 융합에 광범위하게 응용되고 있다. 하지만 합성에서 클릭화학반응이 보유하고 있는 독특하고 고도로 예측가능한 반응성 우위는 충분히 구현되지 못하고 있다. 연구팀은 새 육플루오린화황[Sulfur(VI) Fluoride] 교환반응의 기초단위(building block)를 탐색하는 과정에서 보기 드문 플루오린화황류 무기화합물 플루오로설포닐기(fluorosulfonyl group) 아지드(azide)를 안전하고 고효율적으로 합성하는 방법을 의외로 발견했다. 동 화합물은 1차아민 작용기(functional group)에 한해 예상외로 높은 디아조 전이(diazo transfer) 반응성을 나타낸다. 심층 연구를 통해 플루오로설포닐기 아지드를 디아조 전이시킨 후 2상(two-phase) 조건에서 빠르게 가수분해됨을 발견했다. 1차아민은 유기화학에서 다양성이 가장 풍부하고 기초단위 획득성이 가장 높은 작용기이다. 연구팀은 새로 발견한 반응에 기반해 대량 획득이 가능한 1차아민 작용기 분자 기초단위로부터 시작해 대응하는 아지드 기초단위 라이브러리(1,224개)를 96홈판에서 직접 합성했다. 해당 화합물 라이브러리는 분리정제가 필요없기에 1명 인력으로 96홈판에서 임의 지정 터미널 알킨(terminal alkyne) 화합물과의 고리화 첨가 반응(cycloaddition reaction)을 수행할 수 있다. 나아가 직접적 기능 선별도 수행할 수 있다. 연구팀은 기초단위의 다양성 극대화 및 연결의 고도 예측가능성을 달성한 전제 하에 고속대량 합성모델을 구축했다. 연구팀은 플루오로설포닐기 아지드와 1차아민화합물의 디아조 전이반응 과정을 모듈화 클릭화합물라이브러리 방법이라 명명했다. 동 방법은 생물기능의 표현형 선별에 직접 응용할 수 있다. 해당 합성방식에 힘입어 짧은 시간 내 지정 약물 소분자 또는 대분자 기초단위에 대한 10,000회 이상 개조가 가능해졌다. 뿐만 아니라 합성효율의 향상은 약물 선도분자 발견에 직접적 기여를 할 전망이다.

전자과기대학, 새 플라즈마 제트 소스 개발

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전자과기대학 전자과학공학학원 물리전자학부 연구팀은 성공적으로 새 휴대용 플라즈마 제트 소스를 개발하여 대기압에서 저온플라즈마의 안정적인 방전을 달성함으로써 플라즈마가 공기 중에 완전하게 존재하도록 하였다. 해당 성과는 "Applied Physics Letters"에 게재되었다. 플라즈마는 우리 주변에 널리 존재한다. 형광등은 플라즈마 발광체이고 번개는 흔히 보는 플라즈마 방전이다. 플라즈마는 고체, 액체, 기체 등과 마찬가지로 물질의 제4상태이며 물질이 우주에서 존재하는 보편적인 형태이다. 플라즈마 내에는 풍부한 고에너지입자가 있는데 이들 입자는 고에너지 특성을 가지고 활성이 강해 자체 온도가 상온과 비슷한 플라즈마가 물체에 접촉하기만 하면 물체가 플라즈마 고에너지입자의 공격을 받아 물체 표면 특성을 변화시킨다. 플라즈마의 이러한 특성을 암 치료, 피부 표면 처리, 살균 소독 등 분야에 응용할 수 있다. 플라즈마의 지혈 작용을 예로 들면, 플라즈마는 순식간에 손상된 피부에 딱지가 생기게 하여 정밀한 최소침습시술 효과를 달성할 수 있다. 그러나 대기층의 존재로 인해 대기 상태에서 플라즈마는 생성 및 유지가 어렵다. 연구팀은 마이크로파를 이용하여 플라즈마를 여기시키고 플라즈마 제트 소스 내부와 분사구에 특수한 구조를 설계하여 저온플라즈마 제트가 밀폐 배관이 없이 안정적으로 대기 중에 존재하도록 했다. 제트 길이는 2cm 이상이다. 또한, 실험을 통해 구조적 매개변수를 최적화하고 소자의 고효율, 소형화 및 작동 용이성을 구현했다. 이는 대기압에서 저온플라즈마 제트의 응용 영역을 크게 확장시켰다.

창춘광학정밀기계·물리연구소, 푸리에 타이코그래픽 현미경 이미지 복원 알고리즘 제안

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최근, 중국과학원 창춘(長春)광학정밀기계·물리연구소 응용광학 국가중점실험실 액정광학 연구팀은 신경망 구조 기반 복원 알고리즘(FINN-P)을 제안함과 아울러 눈동자 함수의 복원 과정을 이에 도입했다. 해당 알고리즘은 시스템의 눈동자 함수를 정확하게 복원시킬 수 있으며 또한 이를 통해 고해상도 이미지를 재구성하여 알고리즘의 강건성을 향상시키고 광원의 간섭성 및 시스템 수차(Aberration)가 재구성 결과에 미치는 영향을 감소시킨다. 아울러 전통적 알고리즘이 시야 필드(Field of View) 주변부에서 수렴 오류가 발생하는 문제를 성공적으로 해결했다. 해상도 테스트 타깃(Resolution test target) 및 실제 생물표본 이미지를 해당 알고리즘으로 처리할 경우 이미지 품질은 뚜렷하게 향상된다. 해당 성과는 "Neural network model combined with pupil recovery for Fourier ptychographic microscopy"라는 제목으로 "Optics Express"에 게재됐다. 푸리에 타이코그래픽 현미경(Fourier ptychographic microscopy, FPM) 이미징은 최근에 제안된 광시야, 고해상도 이미지를 획득할 수 있는 측정 방법이다. FPM 장치는 광학현미경과 유사하지만 광원을 하나의 LED 어레이로 대체했다. 특정된 순서에 따라 단일 LED 조명을 밝히는 과정에서 카메라로 일련의 저해상도(LR) 이미지를 획득할 수 있다. 다양한 저해상도 이미지는 샘플 스펙트럼의 특정된 서브 영역(Sub region)에 대응되기에 최적화 알고리즘을 통해 주파수 영역의 저해상도 이미지 정보를 융합시켜 시스템의 대물렌즈 한계를 초과하는 해상도를 획득할 수 있을 뿐만 아니라 기존 시야 필드의 고해상도 진폭 및 위상 이미지를 보존할 수 있다. FPM에 사용되는 전통적인 알고리즘(예를 들어 GS, AS)은 일반적으로 시스템의 전달함수를 코히렌트 전달함수(Coherent transfer function, CTF)로 인정한다. 즉 시스템의 이미징 과정을 코히런트 이미징(Coherent imaging)으로 인정한다. 하지만 LED 광원의 부분 간섭성 및 시스템의 수차로 인하여 CTF를 전달함수로 사용할 경우 알고리즘의 수렴성 및 강건성에 영향을 미치기에 수렴 오류 발생을 유발하여 재구성 고해상도 이미지 품질이 비교적 낮다. 해당 오류는 수차가 비교적 큰 주변부 시야 필드에서 특별히 뚜렷하다.

세계 최초 전 광학 다층신경망 발표

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최근, 홍콩과기대학 연구팀은 세계 최초 딥러닝 머신러닝으로 사용할 수 있는 전 광학 신경망을 개발했다. 이는 인공지능이 사물 사이의 관계를 식별하고 위험 평가 등 복잡한 문제를 처리함에 있어서 인간에 더욱 접근함과 아울러 에너지 소모를 대폭 감소하는 전제하에 광속으로 운산할 수 있다. 해당 연구 성과는 "광학"에 게재되었다. 인공지능이 딥 러닝 기술을 파악하려면 비선형 활성화 함수의 다층신경망을 구비해야 한다. 기존의 광전 하이브리드 신경망에서 인간의 뇌 반응 방식을 시뮬레이션하는 비선형 활성화 함수는 주로 전기를 통해 구현되며 이는 광학 네트워크의 명령 주기와 기능을 제한한다. 홍콩과기대학 물리계 두성왕(杜胜望)/류쥔웨이(刘军伟) 연구팀은 최초로 전 광학 다층신경망을 개발하여 대규모 광학 신경망 구축을 위한 첫걸음을 내딛었다. 연구팀은 한계를 극복하기 위하여 냉각 원자 매질 내에서 극히 낮은 레이저 출력으로도 작동 가능한 전자파를 이용하여 투명 효과를 유도함으로써 비선형 활성화 함수를 구현하고 이중층 전 광학 신경망을 구축했다. 효과 테스트를 위해 해당 신경망을 이용하여 축합상태 물리학적 이징모형의 질서 상과 무질서 상을 분류하였는데 그 결과, 고성능 컴퓨터 신경망의 운산 결과와 일치했다. 해당 연구 성과는 아직 개념 검증 테스트에 불과하지만 이는 차세대 광학 인공지능을 표명하며 낮은 에너지 소모로도 쾌속 운산이 가능하다는 것을 보여준다.

난징대학, 광의 파동-입자 이중성 중첩 제어 구현

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최근, 난징(南京)대학 물리학원 마샤오쑹(馬小松) 연구팀은 최초로 단일광자 파동성 및 입자성의 비국소성 영역 중첩 제어를 시연했다. 해당 성과는 "Nature" 자매지인 "Nature Photonics"에 게재됐다. 광(Light)이 입자인지 아니면 파동인지에 관한 논쟁은 여러 세기를 경과했다. 20세기 양자물리학 구축 과정에서 광의 파동-입자 이중성 즉 광은 입자인 동시에 파동이며 파동과 입자의 중첩상태임을 발견했다. 따라서 어떠한 제어 수단을 통해 광자가 요구에 따라 오직 입자성 또는 파동성만 나타내게 할 수 없겠는지에 대한 문제가 제안됐다. 물리학자 존 휠러(John Wheeler)가 제안한 지연 선택실험에 의하면 1명의 외부 관측자는 실험장치 중의 1개 광자 소자에 대한 제어를 통해 단일광자가 파동성 또는 입자성을 나타내도록 능동적으로 선택할 수 있으며 더 나아가 광자가 실험장치에 진입한 후 선택하여도 선택은 여전히 효과적이다. 연구팀은 휠러의 지연 선택실험을 기반으로 새로운 비국소성 영역 양자 지연 선택실험을 제안 및 시연했다. 실험 과정에서 연구팀은 다른 1쌍의 얽힘 광자를 제어 유닛으로 함과 아울러 해당 얽힘 광자를 이용하여 파동성 및 입자성 사이에서 전환되는 실험 주체 광자를 제어했다. 엄격한 비국소성 영역 양자 제어를 구현하기 위해 제어 유닛을 실험 주체 유닛과 멀리 떨어져 있게 했다. 다시 말해서 "아이슈타인 비국소성" 조건을 만족시켰다. "아이슈타인 비국소성" 조건을 구현하기 위해 공간 및 시간상에서 실험기기에 대한 정밀 제어가 필요하다. 연구팀은 광학기기를 캠퍼스 내의 2개 실험실에 배치했으며 광신호 및 전기신호의 시계열에 대하여 정밀하게 설치했다. 동 실험은 광은 파동성 또는 입자성의 양자중첩 상태로 존재할 수 있음을 입증함과 아울러 해당 파동-입자의 양자중첩 상태에 대한 제어 가능성을 입증했다. 이는 양자광학 및 양자정보처리 연구에 새 방법을 제공했다.

안후이광학정밀기계연구소, 최초로 대기 난류 원위치 탐측 실험 완료

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최근, 중국과학원 허페이(合肥)물질과학연구원 안후이(安徽)광학정밀기계연구소 대기과학연구센터(이하 대기과학연구센터로 약칭) 우샤오칭(吳曉慶)/뤄타오(羅濤) 연구팀은 칭하이성(青海省) 다차이단(大柴旦) 지역, 시짱자치구(西藏自治區) 라싸시(拉薩市) 등 지역에서 대기 난류 원위치 탐측 및 난류 대기 관측 등 실험을 동시에 수행하여 성공했다. 대기 중의 에너지와 물질교환, 오염물질 수송 및 확산은 대기 난류와 밀접히 관련된다. 기존에 주로 경계층 및 대류층의 난류 특히 동력 난류를 연구했으며 열력 난류에 관한 연구는 적었다. 그리고 근공간 탐측 수단의 결핍 특히 원위치 탐측 수단의 부족으로 근공간 열력 난류가 물질교환 과정에 미치는 영향에 관한 연구는 매우 부족했다. 이번 비행 실험은 경항공기(Aerostat) 플랫폼에서 최초로 다양한 고도 통제 비행 및 광범위 우회 비행을 시행했다. 총 비행시간은 13시간 8분, 최대 비행 고도는 21,625m이며 21~22Km 고도 수평비행 시간은 10시간 16분, 16~17Km 고도 수평비행 시간은 45분이다. 비행 플랫폼 및 대기 난류 원위치 측정 과학 하중은 계획에 따라 전체 비행 및 실험 항목을 완료했으며 데이터 기록이 완정한바 기대 목표에 도달했다. 이로써 제1단계 실험은 원만하게 성공했다. "훙후 특별프로젝트" 실험에서 대기광학연구센터가 자체로 개발한 근공간 대기 난류 원위치 탐측 설비는 경항공기 플랫폼을 이용함과 아울러 고정밀도 미온 어레이를 통해 성층권의 열력 난류강도, 난류 스펙트럼 및 대기안정도 등 데이터를 측정하여 근공간 대기 열력 난류가 물질교환 과정에 미치는 영향을 연구함으로써 근공간 예보 모델의 개선 등에 핵심 데이터 지원 및 과학적 근거를 제공할 전망이다. 이번 실험은 "훙후 특별프로젝트" 2019년 칭짱고원(青藏高原) 지역 첫 대형 실험이며 향후 2차 비행 실험 및 대지 관측 실험을 수행할 계획이다.

윈난천문대, 태양 필라멘트 물질 유래의 물리적 메커니즘 규명

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최근, 중국과학원 윈난(雲南)천문대 푸셴후(撫仙湖)태양관측·연구기지 연구팀은 1m 새로운 진공식 태양망원경(1m New Vacuum Solar Telescope, NVST)의 높은 시공간적 해상도 관측 데이터를 이용해 태양물질 유래 및 전송 과정의 중요한 물리적 메커니즘을 규명했다. 해당 성과는 "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, MNRAS"에 게재됐다. 태양 필라멘트(Solar filament)는 태양 주변 홍염(Prominence)이 태양 표면에 투영되어 형성된 암흑색 가닥이다. 일부 암흑색 가닥은 극성이 상반되는 국지 자기장의 경계선이며 일정한 정도에서 태양 자기장의 복잡한 구조를 반영한다. 해당 암흑색 가닥의 생성, 발달 및 소실은 일정한 규칙성을 갖고 있지만 단시간 내에 돌발적으로 활성화될 가능성도 있고 더 나아가 돌발적으로 소실될 수도 있다. 태양 필라멘트는 태양 표면에서 가장 선명한 태양활동 현상이다. 태양 암흑색 가닥의 형성 과정은 주로 자기장 구조의 형성 과정 및 암흑색 가닥 물질 유래 등 2개 방면으로 나눌 수 있다. 자기장 구조 형성에 대하여 이미 수많은 연구를 수행했지만 암흑색 가닥 물질 유래에 관한 연구는 비교적 적다. 특히 높은 시공간적 해상도 망원경을 이용한 관측 연구는 매우 적다. 이는 주로 암흑색 가닥 형성 과정이 비교적 느리고 완정한 암흑색 가닥 물질 주입을 관측하기 매우 어렵기 때문이다. 연구팀은 태양 암흑색 가닥 형성 활발 지역 NOAA 11903 중 모 1개 암흑색 가닥의 완정한 형성 과정을 연구했다. 결과, 저온 물질은 암흑색 가닥 남쪽 부분 정점(Station point)에서 분출되어 암흑색 가닥에 주입됨과 아울러 분출 위치에 자기장이 형성되며 또한 저온 분출은 저온 물질을 암흑색 가닥 높이로 끌어올림과 아울러 암흑색 가닥에 물질을 제공함을 발견했다. 이로부터 태양 저층의 소규모 폭발은 암흑색 가닥의 형성에 충분한 물질을 제공함을 추정할 수 있다. 연구팀은 또한 플럭스 발생(Flux emergence)에서 생성된 에너지와 저온 물질의 상승에 수요되는 에너지의 추산 비교를 통해 플럭스 발생에서 생성된 에너지는 물질의 상승에 수요되는 에너지를 제공할 수 있다는 결론을 얻었다.

24비트 고성능 초전도 양자프로세서 개발

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최근 중국과학기술대학 판젠웨이(潘建偉) 연구팀과 중국과학원 물리연구소 판헝(範桁) 연구팀은 공동으로 24개 비트를 포함하는 고성능 초전도 양자프로세서를 개발함과 아울러 최초로 고체상태 양자컴퓨팅시스템에서 20비트 이상의 고정밀도 양자결맞음 제어를 구현함으로써 양자컴퓨터 개발에서 중요한 성과를 얻었다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"에 게재되었다. 20세기 80년대에 노벨상 수상자 Richard Phillips Feynman 등은 양자중첩 및 양자얽힘 등 2개 기이한 양자특성에 기반한 "양자컴퓨팅" 구축을 제안했다. 제어 가능한 큐비트 수가 증가함에 따라 양자컴퓨팅의 연산능력은 기하급수적으로 상승하면서 전통 전자컴퓨터를 훨씬 초과하는 성능을 달성할 수 있다. 현재 학계는 다양한 기술로드맵으로 양자컴퓨팅을 연구하고 있다. 그중 초전도 양자컴퓨팅은 실용화 가능성이 가장 높은 방안이다. 중국과기대 판젠웨이, 주샤오보(朱曉波), 펑청즈(彭承志) 등 학자는 초전도 양자컴퓨팅 연구에서 일련의 중요한 성과를 얻었다. 2019년만 기존에 달성한 10개 초전도 큐비트 얽힘 기록을 갱신함과 아울러 "양자 랜덤워크(random walk)"도 획기적으로 구현했다. 최근 판젠웨이 연구팀은 중국과학원 물리연구소 판헝 연구팀과 공동으로 시스템 연결성, 판독 효율, 크로스토크 조절 및 정밀도 등 문제와 관련해 반복적인 실험을 통해 칩 구조를 1차원에서 준2차원으로 확장시키는데 성공했다. 또한 24개 비트를 포함하는 고성능 초전도 양자프로세서를 개발함과 아울러 고체상태 양자컴퓨팅시스템에서 "Bose-Hubbard" 사다리 모델 다체 양자시스템에 대한 시뮬레이션을 완성했을 뿐만 아니라 20비트 이상의 고정밀도 양자결맞음 제어도 구현했다. 해당 연구는 초전도 양자칩을 양자시뮬레이션플랫폼으로 선정함에 있어 강한 응용잠재력을 보여주었고, 다중 큐비트시스템을 이용한 다체 물리시스템 연구에 기반을 마련했다.

중국해양대학, 파동-입자 이중성 및 상보성 원리에 대한 이해 추진

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최근, 중국해양대학 구융젠(顧永建) "해양 양자 기술" 연구팀은 토머스 영의 이중 슬릿 실험에서 경로 측정을 도입할 경우 데이비드 봄(David Bohm)의 양자이론에 효과적인 방법을 제공함으로써 실험적으로 광자의 "궤적"을 검증할 수 있음을 발견했다. 해당 발견은 양자역학 기본 문제 연구에 중요한 역할을 일으킴과 아울러 파동-입자 이중성 및 상보성 원리에 대한 이해에 도움이 된다. 해당 연구성과는 "Science" 자매지인 "Science Advances"에 게재됐다. 물리학의 고전적 실험인 토머스 영의 이중 슬릿 실험에서 광자 경로 측정으로 해당 광자가 구체적으로 어느 슬릿을 통과하는 지를 식별할 경우 필연적으로 간섭무늬 가시성을 파괴시킨다. 해당 측정 과정에서 간섭무늬 가시성과 광자의 운동량 변화 사이의 관계에 대한 학술계의 관점은 다양하다. 그 주요 원인은 다양한 운동량 변화량 정의를 사용했기 때문이다. 해당 문제를 심층적으로 연구하려면 더욱 보편적인 방법을 찾아 광자의 운동량 변화를 정량화해야 한다. 데이비드 봄의 양자역학은 해당 문제를 해결하는 효과적인 방법을 제공한다. 데이비드 봄의 양자이론에 의하면 입자는 임의적 시각(Time)에 모두 명확한 위치 및 운동량을 보유하고 있으며 또한 한 가닥의 확정된 궤도에 따라 진화된다고 주장한다. 따라서 입자의 초기 상태가 운동량의 고유 상태가 아닌 상황에서도 입자의 운동량 변화량을 계산할 수 있다. 또한 광자의 평균 궤적을 실험적 약한 측정(Weak measurement) 방법으로 재구성할 수 있다. 데이비드 봄의 양자이론을 기반으로 하고 약한 측정 기술을 이용해 샤오야(肖芽) 연구팀은 전단계에 토머스 영의 이중 슬릿 간섭 장치에서 광자 궤적의 비국소성 영역 유도[Optics Express 25, 14463-14472(2017)]를 달성했다. 해당 논문에서 광자의 궤적을 8.6m 밖으로 심층적으로 재구성했다. 다음으로 오스트레일리아 Howard M. Wiseman가 제안한 데이비드 봄의 운동량 확률 분포를 이용해 경로 탐측 과정 중 양자의 운동량 변화량을 정량화했다. 경로가 있는 조건과 없는 조건에서 측정한 광자 운동량의 비교를 통해 연구팀은 광자의 총운동량 변화량 절댓값은 근거리장에서 매우 작지만 전파 거리의 증가에 따라 증가됨을 관측했는데 이는 운동량의 비국소성 영역에서 누적 과정을 의미한다. 원거리장 조건에서 연구팀은 광자 운동량 변화량 절댓값과 간섭무늬 가시성 사이의 정량화 관계를 심층적으로 입증했다. 실험 결과는 운동량 변화량의 증가에 따라 간섭무늬 가시성은 감소됨을 의미한다.