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실리콘(Si)은 대부분의 현대 반도체 장치의 기초를 형성하지만 구성 요소가 줄어들고 서로 더 가깝게 포장됨에 따라 더 많은 열이 발생하고 근본적인 성능 한계에 도달합니다. 1950년대 초기 트랜지스터 중 일부에 등장한 게르마늄(Ge)은 연구자들이 확립된 실리콘 생산 방법의 이점을 유지하면서 우수한 전기적 특성을 활용할 수 있는 방법을 찾고 있기 때문에 새로운 관심을 끌고 있습니다.

실리콘에 변형 게르마늄을 사용한 신소재 혁신

에 발표된 연구에서 오늘의 자료University of Warwick의 Maksym Myronov 박사가 이끄는 팀은 차세대 전자 장치의 주요 발전을 보여주었습니다. 연구진은 압축 변형을 받는 실리콘 위에 나노미터 두께의 게르마늄 에피층을 만들었습니다. 이 엔지니어링 구조를 통해 이전에 알려진 실리콘 호환 소재보다 전하가 더 빠르게 이동할 수 있습니다.

워릭 대학교 물리학과 부교수이자 반도체 연구 그룹 리더인 Maksym Myronov 박사는 다음과 같이 설명합니다. “갈륨 비소(GaAs)와 같은 기존의 높은 이동도 반도체는 매우 비싸고 주류 실리콘 제조와 통합하는 것이 불가능합니다. 우리의 새로운 압축 변형 실리콘 상 게르마늄(cs-GoS) 양자 소재는 세계 최고의 이동성과 산업 확장성을 결합합니다. 이는 실용적인 양자 및 고전적 대규모 통합을 향한 핵심 단계입니다. 회로.”

팀이 초고이동성을 달성한 방법

연구진은 실리콘 웨이퍼에 얇은 게르마늄 층을 성장시킨 다음 정확한 양의 압축 변형을 적용하여 획기적인 물질을 만들었습니다. 이로 인해 최소한의 저항으로 전하가 통과할 수 있는 매우 순수하고 규칙적인 결정 구조가 생성되었습니다.

테스트 결과, 재료는 715만 cm의 홀 이동도에 도달했습니다.² 볼트-초당(~450cm와 비교)² 산업용 실리콘의 경우) 전자와 정공이 기존 실리콘을 통과하는 것보다 훨씬 더 쉽게 통과할 수 있음을 나타내는 전례 없는 결과입니다. 이러한 개선을 통해 더 빠르게 작동하고 더 적은 전력을 소비하는 전자 장치가 탄생할 수 있습니다.

미래 전자공학과 양자 기술에 대한 시사점

캐나다 국립 연구 위원회(National Research Council of Canada)의 수석 연구 책임자인 Sergei Studenikin 박사는 “이는 전 세계 전자 산업의 핵심 재료인 IV족 반도체의 전하 수송에 대한 새로운 기준을 제시합니다. 이는 기존 실리콘 기술과 완벽하게 호환되는 더 빠르고 에너지 효율적인 전자 장치 및 양자 장치의 문을 열어줍니다.”라고 말합니다.

이번 발견은 초고속, 저전력 반도체 부품을 위한 유망한 새로운 경로를 확립했습니다. 잠재적인 용도로는 양자 정보 시스템, 스핀 큐비트, 양자 프로세서용 극저온 컨트롤러, AI 가속기, 데이터 센터의 냉각 수요를 줄이도록 설계된 에너지 효율적인 서버 등이 있습니다.

이 성과는 또한 Warwick의 반도체 연구 그룹의 중요한 성과를 나타내며 첨단 반도체 재료 연구에서 영국의 영향력이 커지고 있음을 강조합니다.

주목을 끄는 기술 중 하나는 고체산화물 연료전지(SOFC)입니다. 저장된 화학 에너지를 방출하는 배터리와 달리 이러한 연료 전지는 화학 연료를 직접 전기로 변환하고 연료가 사용 가능한 한 계속해서 전력을 생산합니다. 수소가스를 이용해 전기와 물을 생산하는 수소연료전지는 이미 많은 사람들에게 친숙하다.

높은 작동 온도가 주요 과제인 이유

SOFC는 높은 효율성과 긴 작동 수명으로 알려져 있지만 심각한 한계가 있습니다. 제대로 작동하려면 약 700~800°C의 극도로 높은 온도가 필요합니다. 이러한 온도에 도달하고 유지하려면 강렬한 열을 견딜 수 있는 특수 소재가 필요하므로 시스템 비용이 많이 듭니다.

Nature Materials에 보고된 Kyushu University의 연구원들은 이제 단 300°C에서도 효율적으로 작동하는 SOFC를 개발했다고 말합니다. 팀에 따르면, 이 혁신은 비용을 크게 절감하고 저온 SOFC 생성을 지원하며 실제 사용 속도를 높일 수 있습니다.

연료전지 성능에서 전해질의 주요 역할

모든 SOFC의 핵심에는 연료 전지의 전극 사이에서 하전 입자를 이동시키는 세라믹 층인 전해질이라는 구성 요소가 있습니다. 수소 연료 전지에서 이 층은 수소 이온(양성자라고도 함)을 운반하여 전지가 전기를 생성할 수 있도록 합니다. 그러나 전해질은 일반적으로 효율적인 작동을 위해 이러한 양성자가 빠르게 움직일 수 있도록 극도로 높은 온도가 필요합니다.

이 연구를 주도한 큐슈대학교 학제 간 에너지 연구 플랫폼의 요시히로 야마자키 교수는 “작동 온도를 300°C까지 낮추면 재료 비용이 절감되고 소비자 수준 시스템의 문이 열릴 것입니다.”라고 말했습니다. “그러나 알려진 세라믹은 이러한 ‘따뜻한’ 조건에서 빠르게 충분한 양성자를 운반할 수 없습니다. 그래서 우리는 그 병목 현상을 깨기 시작했습니다.”

결정 격자의 도펀트 문제 해결

전해질은 결정 격자에 배열된 원자로 구성됩니다. 양성자는 이 원자 사이의 틈을 통해 이동합니다. 과학자들은 격자를 통한 양성자 이동 속도를 높이기 위해 다양한 재료와 화학적 도펀트(재료의 특성을 수정하는 물질)를 수년 동안 테스트해 왔습니다.

“그러나 이것은 또한 도전을 동반합니다”라고 Yamazaki는 설명합니다. “화학 도펀트를 추가하면 전해질을 통과하는 이동성 양성자의 수를 늘릴 수 있지만 일반적으로 결정 격자가 막혀 양성자의 속도가 느려집니다. 우리는 많은 양성자를 수용하고 자유롭게 움직일 수 있는 산화물 결정을 찾았습니다. 이것이 우리의 새로운 연구가 마침내 달성한 균형입니다.”

Sc 도핑된 BaSnO3 및 BaTiO3를 사용한 300°C 혁신

연구팀은 두 가지 산화물인 주석산바륨(BaSnO)을 발견했습니다.₃) 및 티탄산바륨(BaTiO₃)는 높은 수준의 스칸듐(Sc)으로 도핑되었을 때 300°C에서 0.01 S/cm 이상의 목표 양성자 전도도에 도달했습니다. 이 전도성은 오늘날의 SOFC 전해질이 600~700°C에서 달성하는 것과 유사합니다.

“구조 분석 및 분자 역학 시뮬레이션을 통해 Sc 원자가 주변 산소와 연결되어 ‘ScO2’를 형성한다는 사실이 밝혀졌습니다.₆ 고속도로’는 양성자가 비정상적으로 낮은 이동 장벽을 가지고 이동하는 경로입니다. 이 경로는 넓고 부드럽게 진동하여 일반적으로 고농도로 도핑된 산화물을 괴롭히는 양성자 포획을 방지한다고 Yamazaki는 말했습니다. “격자 역학 데이터는 BaSnO가₃ 그리고 BaTiO₃ 기존 SOFC 소재보다 본질적으로 ‘더 부드러워’ 이전에 가정했던 것보다 훨씬 더 많은 Sc를 흡수할 수 있습니다.”

저렴한 저온 연료전지의 문을 열다

이러한 결과는 더 많은 도펀트를 추가하는 것과 빠른 이온 이동을 유지하는 것 사이의 오랜 균형을 뒤집고 저렴한 중간 온도 SOFC를 향한 유망한 경로를 제공합니다.

“연료전지 외에도 저온 전기분해, 수소 펌프, CO를 변환하는 반응기 등 다른 기술에도 동일한 원리가 적용될 수 있습니다.₂ 가치 있는 화학물질로 전환되어 탈탄소화의 효과가 배가됩니다. 우리의 연구는 오랜 과학적 역설을 실용적인 솔루션으로 전환하여 저렴한 수소 전력을 일상 생활에 더 가까이 가져오는 것입니다.”라고 Yamazaki는 결론지었습니다.

건축가는 자체 하중을 견딜 수 있는 표면에 높은 우선순위를 둡니다. 시각적으로 매력적인 일부 예는 쉘로 알려져 있으며 전통적으로 철근 콘크리트로 만들어졌습니다. 그러나 현대 건축가들은 비용, 낭비, 시각적 투명성 부족으로 인해 콘크리트를 제한하는 데 관심이 있습니다. 이로 인해 금속, 유리 또는 목재의 교차 곡선 요소를 사용하여 내부 지지대 없이 넓은 영역에 걸쳐 있는 그리드쉘에 대한 관심이 높아졌습니다.

Gridshell이 ​​관심을 받는 이유

Gridshell은 기둥 없이 넓은 공공 공간을 덮는 데 매우 적합합니다. 기차역 입구, 복원된 유서 깊은 안뜰, 공공 광장 등의 장소에서 볼 수 있습니다. 주목할만한 예로는 대영 박물관의 Great Court, 네덜란드 해양 박물관의 유리 지붕, 뉴욕의 Moynihan Train Hall 등이 있습니다. 이러한 구조는 그리드쉘이 무엇을 달성할 수 있는지를 보여주지만 디자이너에게는 만들고 싶은 다양한 모양을 효율적으로 관리할 수 있는 표준 계산 도구가 부족했습니다.

도쿄 대학의 Masaaki Miki와 엔지니어링 회사 Thornton Tomasetti의 Toby Mitchell은 이러한 격차를 해소하기 위해 협력했습니다. 그들의 새로운 알고리즘은 구조적 신뢰성을 유지하면서 복잡한 형상을 지원하는 이상적인 격자 모양을 식별합니다.

Gridshell 설계의 오랜 과제 해결

그리드쉘 프로젝트가 존재하더라도 많은 기하학적, 기계적, 제작 및 건설 요구 사항으로 인해 대부분의 고객이 이를 추구하기가 어려워졌습니다. Miki와 Mitchell은 이미 하나의 계산 프레임워크 내에서 이러한 많은 문제를 해결할 수 있는 NURBS 기반 시스템을 도입했습니다. 그러나 두 가지 주요 제한 사항이 남아 있습니다. 이전 방법은 매우 불규칙한 모양으로 인해 어려움을 겪었고 필요한 계산 시간이 실용적이지 않았습니다. 업데이트된 방법은 이러한 장애물을 제거하여 보다 효율적인 작업 흐름을 생성하고 대규모 건축가 및 설계자 그룹이 고급 그리드쉘 형태 찾기를 실현할 수 있게 해줍니다.

“이 프로젝트는 주로 콘크리트로 만들어진 쉘 구조에 대한 관심으로 2020년에 시작되었습니다. 전통적인 디자인은 압축력을 통해 자체 무게를 전적으로 지탱하는 모양을 목표로 하지만 이로 인해 표현력이나 조각성이 제한됩니다.”라고 Miki는 말했습니다. “우리는 압축력과 인장력을 모두 고려하여 쉘을 설계하는 새로운 방법을 찾기 시작했습니다. 보다 현대적인 금속-유리 그리드쉘에 접근 방식을 적용하여 기계적 신뢰성, 미적 측면 및 구성 용이성의 균형을 맞추는 방법을 개발했습니다. 최근 계산 속도가 향상됨에 따라 엄격한 방법을 사용하여 이러한 복잡한 조건을 해결할 수 있게 되었습니다.”

NURBS를 사용하여 정밀도와 속도 향상

새로운 방법의 가장 큰 장점은 NURBS 표면에서 직접 작동한다는 것입니다. 수천 개의 삼각형 조각을 사용하는 메시 기반 접근 방식과 달리 NURBS는 곡선 표면을 부드럽고 연속적이며 수학적으로 정확하게 표현합니다. NURBS는 이미 건축 설계에 널리 사용되고 있으므로 이 방법을 기존 워크플로우에 통합하는 것은 간단합니다. 연구팀은 건축가가 익숙한 소프트웨어 내에서 접근 방식을 사용할 수 있도록 인기 있는 NURBS 중심 CAD 프로그램인 Rhinoceros용 플러그인을 만들었습니다.

이 방법은 NURBS 표면의 응력 분포를 나타내며 처리 속도를 98%까지 높이는 새로 개발된 알고리즘을 사용합니다. 이러한 개선으로 인해 고급 GPU가 필요하지 않으며 기하학적 및 구조적 요구 사항을 모두 충족하는 모양을 생성할 수 있는 보다 접근 가능한 방법을 제공합니다. 생성된 그리드쉘은 중력 하에서도 안정적인 상태를 유지하며 조립이 실용적인 금속 및 유리 구조를 지원합니다.

“우리는 실제 문제를 해결하고 있기 때문에 우리가 개발한 여러 테스트 방법을 통해 솔루션을 엄격하게 검증해 왔습니다.”라고 Miki는 말했습니다. “테스트 결과 메서드의 실패가 드러났을 때 스트레스가 많았습니다. 하지만 이제 모든 솔루션이 테스트를 통과했기 때문에 우리는 완전히 행복합니다.”

향후 방향

현재 연구는 금속 및 유리 그리드쉘에 초점을 맞추고 있지만, 팀은 앞으로 복합 목재 그리드쉘을 포함하도록 기술을 확장할 계획입니다.

이 연구는 노무라 재단, JSPS 과학 연구 보조금(KAKENHI, 보조금 번호 23K17784) 및 JST ASPIRE(보조 번호 JPMJAP2401)의 일부 지원을 받았습니다.

LIGO는 블랙홀 충돌과 같은 거대 가속 물체에 의해 생성되는 시공간의 작은 잔물결인 중력파를 측정하는 관측소입니다. 이 파동을 직접 감지한 최초의 시설로 아인슈타인의 상대성 이론을 강력하게 뒷받침했습니다. LIGO는 워싱턴과 루이지애나에 위치한 두 개의 4km 길이 레이저 간섭계를 사용하여 믿을 수 없을 정도로 작은 교란을 감지하여 과학자들에게 극한 조건에서 블랙홀, 우주론 및 물질을 연구할 수 있는 새로운 방법을 제공합니다.

LIGO는 현대 과학에서 가장 신중하게 설계된 구성 요소 중 하나인 거울을 사용합니다. 각 거울은 가로 34cm, 두께 20cm, 무게 약 40kg입니다. 양성자 직경의 1/1,000보다 작은 시공간 왜곡을 탐지하려면 이러한 거울이 거의 완벽하게 고정되어 있어야 합니다. 아주 작은 진동이나 환경 소음도 LIGO가 감지하려는 희미한 중력파 신호를 감지하지 못할 수 있습니다.

물리학 및 천문학 조교수인 Richardson은 “우리 혁신의 핵심은 1 메가와트를 초과하는 레이저 출력으로 LIGO의 주 거울 표면을 정밀하게 재형성하도록 설계된 새로운 적응형 광학 장치입니다. 이는 일반적인 레이저 포인터보다 10억 배 이상 강력하고 오늘날 LIGO가 사용하는 출력의 거의 5배입니다.”라고 말했습니다. “이 기술은 중력파 천문학의 미래를 위한 새로운 길을 열어줍니다. 이는 이전보다 더 깊은 우주를 볼 수 있는 Cosmic Explorer와 같은 차세대 탐지기를 활성화하는 중요한 단계입니다.”

FROSTI: LIGO 거울을 위한 정밀 열 제어

FROnt Surface Type Irradiator의 약자인 FROSTI는 강렬한 레이저 광이 LIGO의 광학 장치를 가열할 때 생성되는 왜곡을 상쇄하도록 설계된 정밀 파면 제어 시스템입니다. 기존 시스템은 상대적으로 대략적인 수정만 할 수 있지만 FROSTI는 보다 진보된 열 투영 방법을 사용하여 거울 표면에 미세하고 고차원적인 조정을 적용합니다. 이러한 수준의 제어는 미래 감지기의 더욱 까다로운 성능 요구 사항을 충족하는 데 필수적입니다.

차가운 이름에도 불구하고 FROSTI는 매우 통제된 방식으로 거울 표면을 따뜻하게 하여 거울을 이상적인 광학적 형태로 되돌리는 방식으로 작동합니다. 시스템은 열 복사를 사용하여 세심하게 맞춤화된 열 패턴을 거울에 투사합니다. 이는 실제 중력파 신호로 오해될 수 있는 추가 노이즈를 피하면서 광학 왜곡을 완화합니다.

중력파 천문학에 더 나은 광학이 중요한 이유

중력파는 2015년 LIGO에 의해 처음 감지되어 천문학의 새로운 시대가 시작되었습니다. 그러나 우주를 관찰하는 이 새로운 방법을 완전히 활용하려면 앞으로 나올 감지기가 더 멀리 있는 사건을 보고 더 명확하게 측정해야 합니다.

Richardson은 “이는 레이저 출력과 양자 수준 정밀도 모두의 한계를 뛰어넘는 것을 의미합니다.”라고 말했습니다. “문제는 레이저 출력을 높이면 신호 선명도를 향상시키기 위해 의존하는 섬세한 양자 상태가 파괴되는 경향이 있다는 것입니다. 우리의 신기술은 메가와트 출력 수준에서도 광학 장치가 왜곡되지 않은 상태로 유지되도록 하여 이러한 긴장을 해결합니다.”

이러한 접근 방식을 통해 새로운 기술은 관측 가능한 중력파 우주를 10배로 확장할 것으로 예상됩니다. 이러한 범위의 증가를 통해 천문학자들은 우주 역사 전반에 걸쳐 수백만 개의 블랙홀과 중성자별 합병을 감지하고 전례 없는 세부 사항으로 연구할 수 있습니다.

미래 전망: LIGO A# 및 우주 탐험가

FROSTI는 Cosmic Explorer로 알려진 차세대 관측소의 테스트베드 역할을 할 계획된 업그레이드인 LIGO A#의 핵심 구성 요소가 될 것으로 예상됩니다. 현재 프로토타입은 40kg LIGO 거울에서 시연되었지만 Cosmic Explorer용으로 제안된 훨씬 더 큰 440kg 거울에도 동일한 원리를 확장하고 적용할 수 있습니다.

Richardson은 “현재 프로토타입은 시작에 불과합니다.”라고 말했습니다. “우리는 이미 훨씬 더 복잡한 광학 왜곡을 교정할 수 있는 새로운 버전을 설계하고 있습니다. 이것이 중력파 천문학의 향후 20년을 위한 R&D 기반입니다.”

Richardson은 UCR, MIT 및 Caltech의 과학자들과 공동으로 연구를 수행했습니다.

이 작업은 국립과학재단(National Science Foundation)이 Richardson에게 보조금을 지원했습니다.

이러한 재료를 개발하는 동안 팀은 미래 재료를 설계하기 위한 보다 광범위한 프레임워크도 제시했습니다. 그들의 연구 결과는 네이처커뮤니케이션즈.

“합성 중에 관상로의 대기에서 산소를 조심스럽게 제거함으로써 우리는 철과 망간이라는 두 가지 금속을 주변 대기에서 안정화되지 않는 세라믹으로 안정화했습니다”라고 Penn State의 연구 교수이자 제1저자인 Saeed Almishal이 말했습니다. 그는 재료 과학 분야의 Dorothy Pate Enright 교수인 Jon-Paul Maria와 함께 작업하고 있습니다.

조기 혁신 및 기계 학습 발견

Almishal은 J52로 명명한 구성에서 산소 수준을 조정하여 망간과 철을 함유한 물질의 안정성을 처음으로 달성했습니다. 그 샘플에는 마그네슘, 코발트, 니켈, 망간, 철이 포함되어 있었습니다. 초기 성공 이후 그는 수천 가지의 가능한 공식을 신속하게 평가할 수 있는 새로 개발된 기계 학습 기능을 사용했습니다. 이러한 도구를 사용하여 그는 HEO를 형성할 수 있는 6개의 추가 금속 조합을 식별했습니다.

샘플 처리, 제작 및 특성화를 도운 학부생 연구원과 함께 작업하면서 Almishal은 7가지 새로운 HEO 구성을 모두 나타내는 고체 세라믹 펠렛을 생산했습니다. 이 학생들은 재료 과학 및 공학부와 미국 국립 과학 재단이 자금을 지원하는 재료 연구 과학 및 엔지니어링 센터인 Penn State의 나노 규모 과학 센터의 지원을 받았습니다.

Almishal은 “단일 단계로 현재 프레임워크에서 가능한 7가지 구성을 모두 안정화했습니다.”라고 말했습니다. “이전에는 HEO 분야에서 복잡한 문제로 다루었지만 결국 해결책은 간단했습니다. 재료 및 세라믹 합성 과학의 기초, 특히 열역학 원리에 대한 세심한 이해를 통해 답을 찾았습니다.”

산소 수준이 재료를 형성하는 방법

이러한 세라믹을 안정화하려면 망간과 철 원자가 2+ 산화 상태를 유지해야 하며, 각 원자가 단 두 개의 산소 원자와 결합하는 암염 구조를 형성해야 합니다. Almishal에 따르면 이는 일반적인 산소가 풍부한 조건에서는 발생하지 않습니다. 정상적인 대기에서 합성되면 망간과 철은 산소와 계속 결합하여 더 높은 산화 상태로 전환되어 물질이 올바르게 형성되지 않습니다. 관상로에서 산소를 줄이면 사용 가능한 산소 원자 수가 제한되어 원하는 암염 구조가 형성될 수 있습니다.

Almishal은 “이러한 물질을 합성할 때 우리가 따른 주요 규칙은 산소가 세라믹 물질을 안정화시키는 역할을 한다는 것입니다.”라고 말했습니다.

구조 확인 및 향후 실험 계획

망간과 철이 실제로 의도한 산화 상태로 남아 있는지 확인하기 위해 Almishal은 Virginia Tech의 연구원들과 협력했습니다. 그들의 팀은 원자가 엑스레이를 흡수하는 방법을 조사하는 고급 이미징 접근 방식을 사용했습니다. 결과 데이터를 연구함으로써 그들은 개별 원소의 산화 상태를 확인하고 재료가 안정적이라는 것을 입증할 수 있었습니다.

다음 작업 단계에는 7개의 새로운 HEO 모두의 자기 특성을 테스트하는 작업이 포함됩니다. 연구원들은 또한 현재 합성하기 어려운 다른 유형의 물질을 안정화하기 위해 산소 제어에 동일한 열역학적 원리를 사용하기를 희망합니다.

“이미 온라인에서 수천 번 접속된 이 논문은 단순성 때문에 연구자들에게 반향을 불러일으키는 것 같습니다”라고 Almishal은 말했습니다. “우리는 암염 HEO에 초점을 맞추고 있지만, 우리의 방법은 미지의 유망한 화학적으로 무질서한 복합 산화물을 가능하게 하는 광범위하고 적응 가능한 프레임워크를 제공합니다.”

학부생 인정 및 연구 협력

연구실에서 중요한 공헌을 한 공저자이자 재료과학 및 공학 전공인 매튜 퍼스트(Matthew Furst)는 오하이오주 콜럼버스에서 9월 28일부터 10월 1일까지 개최된 미국 세라믹 학회(ACerS)의 2025년 재료 과학 및 기술 연례 회의에서 연구 결과를 발표하도록 초대되었습니다. 이 초대는 일반적으로 교수진이나 고위 대학원생에게까지 확대됩니다.

Furst는 “이 프로젝트에 참여하고 연구 및 출판 과정의 모든 단계에 참여할 수 있는 기회를 갖게 되어 매우 감사합니다”라고 말했습니다. “초대 강연으로 이 자료를 폭넓은 청중에게 발표할 수 있게 된 것은 제가 참여한 것과 멘토들로부터 받은 훌륭한 지도를 반영한 ​​것입니다. 이는 학부생으로서 중요한 의사소통 기술을 개발하는 데 큰 의미가 있으며 앞으로도 더욱 발전할 수 있기를 기대합니다!”

팀원 및 지원

Almishal, Maria 및 Furst 외에도 Penn State 연구팀에는 학부생 Joseph Petruska 및 Dhiya Srikanth가 포함되었습니다. 대학원생 Yueze Tan 및 Sai Venkata Gayathri Ayyagari; 최근 재료 과학에 중점을 두고 화학 박사 학위를 취득한 Jacob Sivak도 있습니다. 교수 협력자에는 재료 과학 및 공학 교수인 Nasim Alem; Susan Sinnott, 재료 과학, 공학, 화학 교수; 그리고 Long-Qing Chen, 재료 과학 및 공학의 Hamer 교수, 공학 과학 및 기계 및 수학 교수.

버지니아 공과대학의 공동 저자는 재료 과학 및 공학 조교수인 Christina Rost와 대학원생 Gerald Bejger였습니다.

미국 국립 과학 재단이 자금을 지원하는 재료 연구 과학 및 엔지니어링 센터인 Penn State Center for Nanoscale Science가 이 연구를 지원했습니다.

1240만년에서 530만년 전 사이의 기간 동안 ‘중신세에서 후기 중신세’로 알려진 기간 동안 많은 동물이 현대의 동물보다 훨씬 더 크게 자랐습니다. 이러한 크기 증가는 지구 온도 상승, 광범위한 습지 및 풍부한 식량 공급원의 영향을 받았습니다.

12미터 길이의 카이만(푸루사우루스) 및 3.2미터 길이의 거대 담수거북(Stupendemys) — 결국 사라졌습니다. 아나콘다(유넥테스)는 위축되거나 소멸되지 않고 거대한 혈통으로 지속되었습니다.

고대 뱀의 크기를 밝히기 위한 화석 측정

현대 아나콘다는 현존하는 뱀 중 가장 무겁고 긴 뱀 중 하나입니다. 일반적으로 4~5미터까지 자라며, 드물게 7미터까지 자라기도 합니다.

고대와 현대의 크기를 비교하기 위해 연구자들은 최소 32종의 개별 아나콘다에 속하는 183개의 화석화된 등뼈 부분을 조사했습니다. 이 화석은 베네수엘라의 팔콘 주(Falcón State)에서 발견되었습니다. 연구팀은 이러한 측정값을 다른 남미 지역의 화석 데이터와 결합하여 고대 아나콘다가 오늘날의 뱀과 비슷한 크기인 약 4~5미터의 크기라는 결론을 내렸습니다.

연구 결과는 12월 1일자 학술지에 게재됐다. 척추동물 고생물학 저널.

아나콘다가 거인으로 살아남은 이유

이번 연구의 주저자인 케임브리지 대학 동물학과의 게이츠 케임브리지 학자이자 박사과정 학생인 안드레스 알폰소-로자스(Andrés Alfonso-Rojas)는 “대왕악어나 거대거북과 같은 다른 종들은 중신세 이후 멸종했는데, 이는 아마도 지구 온도가 낮아지고 서식지가 줄어들었기 때문일 것입니다. 그러나 거대 아나콘다는 살아남았습니다. 그들은 회복력이 매우 뛰어납니다.”라고 케임브리지 대학 동물학과의 게이츠 케임브리지 학자인 Andrés Alfonso-Rojas는 말했습니다.

그는 계속해서 이렇게 말했습니다. “화석을 측정함으로써 우리는 아나콘다가 약 1,240만 년 전 남미 열대 지방에 나타난 직후 큰 몸 크기로 진화했으며 그 이후로 크기가 변하지 않았다는 것을 발견했습니다.”라고 Alfonso-Rojas는 말했습니다.

그의 측정값을 확인하기 위해 Alfonso-Rojas는 ‘조상 상태 재구성’이라는 두 번째 기술을 적용했습니다. 이 방법은 뱀의 가계도를 사용하여 고대 아나콘다와 나무 보아 및 무지개 보아와 같은 관련 현대 종의 몸 길이를 추론합니다. 이 분석은 초기 아나콘다가 중신세에 처음 나타났을 때 평균 4~5미터였다는 결론을 뒷받침했습니다.

고대 서식지와 현대 생존자

아나콘다는 현재 습지, 습지, 아마존을 포함한 주요 강에 살고 있습니다. 중신세(Miocene) 동안 남아메리카 북부는 오늘날의 아마존 분지(Amazon Basin)와 매우 흡사해 아나콘다가 훨씬 더 넓은 범위를 차지할 수 있었습니다. 이후 분포가 줄어들었지만 카피바라나 물고기와 같은 먹이와 함께 계속해서 큰 크기를 지탱할 수 있을 만큼 충분한 서식지가 남아 있습니다.

과학자들은 이전에 뱀이 온도에 매우 민감하고 중신세 기후가 더 따뜻했기 때문에 고대 아나콘다가 현대 아나콘다보다 훨씬 더 컸을 것이라고 가정했습니다. Alfonso-Rojas는 이에 대해 직접적으로 다음과 같이 말했습니다. “고대 아나콘다의 길이가 7~8미터일 것으로 예상했기 때문에 이것은 놀라운 결과입니다. 그러나 지구 온도가 더 따뜻했던 중신세에 더 큰 뱀이 있었다는 증거는 없습니다.”

개선된 화석 증거로 진화 시기가 밝혀졌습니다

이 프로젝트 이전에 연구자들은 아나콘다가 언제 거대한 크기로 성장했는지 정확하게 판단할 만큼 충분한 화석 물질이 부족했습니다. 이 뱀은 300개가 넘는 척추뼈를 가지고 있기 때문에 화석화된 개별 척추뼈의 크기는 몸 전체 길이를 추정하는 신뢰할 수 있는 방법을 제공합니다.

본 연구에서 분석된 화석은 취리히 대학교와 베네수엘라의 우루마코 고생물학 박물관의 공동 연구자들이 여러 현장 시즌에 걸쳐 수집한 것입니다.

노팅엄 대학교 화학과, 워릭 대학교 및 다이아몬드 광원(Diamond Light Source)의 과학자들은 아주피렌(Azupyrene)이라는 분자를 사용하여 그래핀 유사 필름을 성장시키는 단일 단계 접근 방식을 만들었습니다. 이 분자의 모양은 연구자들이 도입하고자 하는 결함 유형과 매우 유사합니다. 그들의 연구 결과는 최근에 발표되었습니다. 화학.

결함이 그래핀을 향상시킬 수 있는 이유

노팅엄 대학교 부교수이자 이번 연구의 주요 저자 중 한 명인 David Duncan은 다음과 같이 설명합니다. “우리의 연구는 그래핀을 만드는 새로운 방법을 탐구합니다. 이 초박형, 초강력 물질은 탄소 원자로 구성됩니다. 완벽한 그래핀은 놀랍지만 때로는 너무 완벽합니다. 그래핀은 다른 물질과 약하게 상호작용하며 반도체 산업에 필요한 중요한 전자 특성이 부족합니다.

“일반적으로 재료의 결함은 성능을 저하시키는 문제나 실수로 간주되며, 우리는 의도적으로 기능성을 추가하기 위해 이를 사용했습니다. 우리는 결함으로 인해 그래핀이 다른 재료에 더 “접착성”을 갖게 되어 촉매로서 더욱 유용해질 뿐만 아니라 센서에 사용하기 위해 다양한 가스를 감지하는 능력이 향상된다는 사실을 발견했습니다. 또한 결함은 반도체 산업에서 잠재적인 응용을 위해 그래핀의 전자 및 자기 특성을 변경할 수도 있습니다.”

Azupyrene을 사용하면 결함 형성을 정밀하게 제어할 수 있습니다.

그래핀은 일반적으로 평평한 고리에 배열된 6개의 탄소 원자의 반복 패턴으로 구성됩니다. 이 연구에서 목표로 삼은 결함은 인접한 5개 및 7개의 원자 고리로 구성됩니다. Azupyrene은 자연적으로 이러한 유형의 불규칙한 고리 패턴을 포함하므로 이상적인 시작 분자가 됩니다. Azupyrene을 사용하여 그래핀 필름을 성장시킴으로써 팀은 이 특정 결함의 높은 농도를 달성했습니다. 성장 단계에서 온도를 조정함으로써 연구원들은 최종 재료에 얼마나 많은 결함이 나타나는지 미세 조정할 수 있었습니다.

맨체스터에 있는 그래핀 연구소(Graphene Institute)의 연구원들은 또한 생성된 그래핀이 공학적 결함을 그대로 유지하면서 다양한 표면으로 전사될 수 있음을 보여주었습니다. 이는 이러한 필름을 실제 장치에 통합하기 위한 중요한 단계입니다.

국제 협력 및 고급 도구를 통해 원자적 행동이 밝혀짐

이 프로젝트는 광범위한 고급 기술과 영국, 독일, 스웨덴의 참여 팀에 의존했습니다. 연구원들은 영국 국가 슈퍼컴퓨터 ARCHER2와 함께 옥스퍼드셔의 Diamond Light Source와 스웨덴의 MAX IV에서 고해상도 현미경 및 분광학을 사용했습니다. 이러한 도구를 통해 그들은 결함이 있는 그래핀의 원자 구조를 조사하고, 가공된 결함의 존재를 확인하고, 이것이 재료의 화학적 및 전자적 거동에 어떤 영향을 미치는지 확인할 수 있었습니다.

워릭 대학교 화학과의 라인하르트 마우러(Reinhard Maurer) 교수는 다음과 같이 말합니다. “시작 분자와 성장 조건을 신중하게 선택함으로써 우리는 결함이 보다 제어된 방식으로 도입될 수 있는 그래핀을 성장시키는 것이 가능하다는 것을 보여주었습니다. 우리는 원자 규모 이미징, 분광학 및 컴퓨터 시뮬레이션을 결합하여 이러한 불완전성의 특징을 특성화합니다.”

Diamond Light Source의 Tien-Lin Lee 박사는 “이 연구는 국제 협력과 다양한 과학적 전문지식의 통합을 통해 무엇을 달성할 수 있는지를 보여주는 증거입니다.”라고 말했습니다. “영국, 독일, 스웨덴의 기관 전반에 걸쳐 고급 현미경, 분광학 및 전산 모델링을 결합함으로써 우리는 단일 기술이나 팀만으로는 달성할 수 없었던 그래핀 결함 형성 뒤에 있는 원자 규모 메커니즘을 밝힐 수 있었습니다.”

스위스와 일본의 연구팀은 이 바이러스가 어떻게 행동하는지 매우 면밀히 조사했습니다. 과학자들은 스스로 만든 현미경 접근법을 사용하여 페트리 접시에 있는 인간 세포의 외부 표면을 확대할 수 있습니다. 이 설정을 통해 그들은 인플루엔자 바이러스가 살아있는 세포에 침투하는 순간을 관찰하고, 실시간으로, 또렷한 세부사항을 볼 수 있게 되었습니다.

ETH Zurich의 분자의학 교수인 Yohei Yamauchi의 지시에 따라, 그룹은 예상치 못한 것을 발견했습니다. 인플루엔자 바이러스가 접근하는 동안 세포는 단순히 가만히 앉아 있지 않습니다. 대신에 그들은 그것을 붙잡기 위해 노력하는 것처럼 보입니다. “우리 몸 세포의 감염은 바이러스와 세포 사이의 춤과 같습니다”라고 Yamauchi는 말합니다.

세포 표면의 바이러스 서핑

비록 세포가 감염되어도 아무 것도 얻지 못하더라도 바이러스는 세포가 없이는 할 수 없는 일상적인 세포 흡수 시스템을 이용하기 때문에 상호 작용이 활발해 보입니다. 이 시스템은 일반적으로 호르몬, 콜레스테롤 또는 철분과 같은 필수 물질을 세포로 가져옵니다.

감염을 시작하려면 인플루엔자 바이러스가 세포 표면의 특정 분자에 부착됩니다. 이 과정은 멤브레인에서 서핑하는 것과 비슷합니다. 바이러스는 표면을 따라 이동하면서 이러한 수용체가 풍부한 부위에 도달할 때까지 분자 하나하나에 달라붙습니다. 많은 수용체가 나란히 있는 지점은 가장 효율적인 진입 경로를 제공합니다.

세포의 수용체가 바이러스가 부착되었음을 감지하면 막은 해당 지점에 작은 들여쓰기를 형성하기 시작합니다. 클라트린(clathrin)이라는 구조 단백질이 이 깊어지는 주머니를 형성하고 지지합니다. 주머니가 확장되면서 바이러스를 감싸고 소포를 형성합니다. 그런 다음 세포는 이 소포를 안쪽으로 끌어당겨서 외피가 용해되어 바이러스를 방출합니다.

이전 현미경이 부족했던 이유

감염의 이 중요한 순간을 연구하려는 이전의 시도는 이미지를 얻기 위해 세포를 파괴해야 하는 전자 현미경과 같은 방법에 의존했습니다. 결과적으로 그들은 단 한 순간만을 포착했습니다. 또 다른 일반적인 도구인 형광 현미경은 라이브 이미징을 제공하지만 공간 해상도가 낮습니다.

ViViD-AFM은 바이러스 침입을 밝혀줍니다

원자현미경(AFM)과 형광현미경을 융합한 새로운 방법을 바이러스 뷰 이중 공초점 및 AFM(ViViD-AFM)이라고 합니다. 이 결합된 접근 방식을 사용하면 바이러스가 세포에 들어갈 때 관련된 미세한 움직임을 추적할 수 있습니다.

이 도구를 사용하여 연구원들은 세포가 여러 진입 단계에서 바이러스를 돕는다는 것을 입증했습니다. 그들은 바이러스가 부착된 부위로 중요한 클라트린 단백질을 소환합니다. 그 시점의 막도 마치 바이러스를 붙잡으려는 것처럼 위쪽으로 밀려납니다. 바이러스가 표면에서 멀어지려고 하면 이러한 파도 같은 움직임은 더욱 심해집니다.

항바이러스 연구에 대한 시사점

ViViD-AFM을 사용하면 과학자들은 감염이 발생하는 동안 관찰할 수 있으므로 세포 배양에서 직접 항바이러스 약물 후보를 테스트할 수 있는 귀중한 방법을 제공합니다. 연구팀은 이 기술이 다른 바이러스나 심지어 백신 연구에도 적용될 수 있어 연구자들이 이러한 입자가 세포와 어떻게 상호 작용하는지 실시간으로 볼 수 있다고 지적했습니다.