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에어로졸은 공기 중에 떠다니는 작은 물방울이나 고체 입자이며 끊임없이 우리를 둘러싸고 있습니다. 봄철 꽃가루처럼 눈으로 볼 수 있을 만큼 큰 것도 있고, 독감 시즌에 퍼지는 바이러스와 같은 것들은 인간의 눈으로 보기에는 너무 작습니다. 바다 바람에 전달되는 미세한 소금 입자를 포함하여 일부는 맛으로도 느낄 수 있습니다.

ISTA의 Waitukaitis 및 Muller 그룹 회원인 PhD 학생 Andrea Stöllner는 구름 내에서 형성되는 얼음 결정의 행동을 연구합니다. 이러한 결정이 어떻게 전하를 모으는지 더 잘 이해하기 위해 그녀는 매우 작고 투명한 실리카 구체로 만든 모델 에어로졸을 사용하여 작업합니다.

전 ISTA 박사후 연구원 Isaac Lenton, ISTA 부교수 Scott Waitukaitis 및 공동 작업자와 함께 Stöllner는 교차하는 두 개의 레이저 빔을 사용하여 단일 실리카 입자를 포착, 안정화 및 전기 충전하는 기술을 개발했습니다. 이 설정은 클라우드 전기화가 어떻게 시작되고 번개가 어떻게 발생하는지에 대한 새로운 조사의 문을 열어줍니다.

안정적인 레이저 트랩 구축

Andrea Stöllner는 광택이 나는 금속 부품으로 가득 찬 대형 실험실 테이블에서 작업합니다. 녹색 레이저 광선이 공간을 가로질러 거울에서 거울로 튕겨 나옵니다. 타이어에서 공기가 새는 것과 비슷한 느리고 꾸준한 쉭쉭거리는 소리가 테이블에서 들립니다. Stöllner는 “이것은 진동 방지 테이블입니다.”라고 말하며 매우 정밀한 측정에 필수적인 실내 또는 근처 장비의 작은 방해로부터 레이저를 보호하는 방법을 지적합니다.

빔은 일련의 정렬된 부품을 통과한 후 밀봉된 용기로 들어가는 두 개의 좁은 흐름으로 수렴됩니다. 그들이 만나는 곳에서는 작은 입자를 제자리에 고정할 수 있는 집중된 빛의 지점을 만듭니다. 이러한 “광학 핀셋”은 에어로졸을 연구할 수 있을 만큼 오랫동안 부유 상태를 유지합니다. 입자가 잡히면 밝은 녹색 섬광이 나타나 트랩이 빛나고 완벽하게 둥근 에어로졸 입자를 성공적으로 잡았음을 확인합니다.

Stöllner는 2년 전, 크리스마스 직전에 획기적인 순간을 회상합니다. “처음으로 입자를 포착했을 때 정말 기분이 좋았습니다.” “Scott Waitukaitis와 동료들은 실험실로 달려가서 포착된 에어로졸 입자를 잠깐 살펴보았습니다. 그것은 정확히 3분 동안 지속된 후 입자가 사라졌습니다. 이제 우리는 그 위치를 몇 주 동안 유지할 수 있습니다.”

이러한 통제 수준을 달성하는 데 거의 4년이 걸렸습니다. 실험은 Lenton이 개발한 이전 버전으로 시작되었습니다. “원래 우리의 설정은 단일 입자를 보유하고 전하를 분석하고 습도가 전하를 어떻게 변화시키는지 파악하도록 구축되었습니다.”라고 Stöllner는 말합니다. “하지만 우리는 여기까지 오지 못했습니다. 우리가 사용하고 있는 레이저 자체가 에어로졸 입자를 충전한다는 것을 알게 되었습니다.”

레이저가 전자를 느슨하게 하는 방법

Stöllner와 그녀의 동료들은 입자가 “2광자 과정”을 통해 전하를 얻는다는 사실을 발견했습니다.

에어로졸 입자는 일반적으로 순전하를 거의 전달하지 않으며 전자(음전하를 띤 물질)가 각 원자 내에서 궤도를 돌고 있습니다. 레이저 빔은 광자(빛의 속도로 이동하는 빛의 입자)로 구성됩니다. 두 개의 광자가 동시에 입자에 부딪혀 함께 흡수되면 전자 하나를 제거할 수 있습니다. 전자를 잃으면 입자에 한 단위의 양전하가 주어지며, 계속 노출되면 입자는 점점 더 양전하를 띠게 됩니다.

Stöllner에게는 이 프로세스를 식별하는 것이 새로운 기회를 열었습니다. “이제 우리는 중성에서 높은 전하로 충전되는 하나의 에어로졸 입자의 진화를 정확하게 관찰할 수 있으며 레이저 출력을 조정하여 속도를 제어할 수 있습니다.”

전하가 축적됨에 따라 입자는 갑작스럽고 짧은 폭발로 다시 전하를 잃기 시작합니다. 이러한 자연 방전은 대기 중에서 자연적으로 발생할 수 있는 행동을 암시합니다.

그보다 높은 곳에서는 구름 입자가 비슷한 전하 축적 및 방출 주기를 겪을 수 있습니다.

번개의 첫 번째 불꽃을 찾아서

뇌우 구름에는 얼음 결정과 더 큰 얼음 덩어리가 혼합되어 있습니다. 이들이 충돌하면서 전하를 교환합니다. 시간이 지남에 따라 구름은 전기적으로 불균형을 이루게 되어 번개가 발생합니다. 한 가지 아이디어는 번개의 가장 초기 불꽃이 대전된 얼음 결정에서 직접 발생할 수 있다는 것입니다. 그러나 번개 형성의 정확한 메커니즘은 아직 해결되지 않았습니다. 다른 이론에서는 우주선이 생성하는 하전 입자가 기존 전기장 내에서 가속되기 때문에 우주선이 프로세스를 시작한다고 제안합니다. Stöllner에 따르면 현재 과학적 견해는 두 시나리오 모두에서 구름 내부의 전기장이 자체적으로 번개를 일으키기에는 너무 약해 보인다는 것입니다.

“우리의 새로운 설정을 통해 시간이 지남에 따라 입자의 충전 역학을 면밀히 조사함으로써 얼음 결정 이론을 탐구할 수 있게 되었습니다.”라고 Stöllner는 설명합니다. 구름 속의 자연 얼음 결정은 실험실에서 사용되는 실리카 입자보다 훨씬 크지만, 연구팀은 이러한 소규모 효과를 이해하면 번개를 생성하는 더 큰 과정을 밝힐 수 있기를 바라고 있습니다. “우리 모델의 얼음 결정체는 방전을 보이고 있으며 어쩌면 그 이상의 것이 있을 수도 있습니다. 결국 초소형 번개 불꽃을 생성한다고 상상해 보십시오. 정말 멋질 것입니다.”라고 그녀는 미소를 지으며 덧붙였습니다.

궤도 각운동량을 전달하는 광선인 광학 소용돌이는 초정밀 재료 처리, 입자 가속, 데이터 전송 용량 확장 및 차세대 포토닉스 구현을 위한 놀라운 기회를 제공합니다. 그러나 이러한 빔을 생성하고 이동하거나 다른 재료와 상호 작용할 때 고유한 특성을 유지할 수 있는 신뢰할 수 있는 기술이 부족하여 광범위한 사용이 제한되었습니다.

HiPOVor MSCA 박사 네트워크는 조정된 연구와 학제간 교육을 통해 이러한 장애물을 해결하려고 합니다. 참가자들은 구성 요소 설계, 빛이 물질과 어떻게 상호 작용하는지 연구하는 것부터 고출력 증폭을 개선하고 실용적인 애플리케이션을 발전시키는 것까지 전체 개발 파이프라인에 걸쳐 기술을 개발하게 됩니다.

포토닉스 분야의 미래 전문가 준비

탐페레 대학의 프로젝트 코디네이터인 Regina Gumenyuk 박사는 “우리의 박사 네트워크는 포토닉스 분야의 차세대 과학자와 혁신가를 양성하는 것입니다.”라고 말합니다.

Gumenyuk은 네트워크가 광학 부품 및 나노제조 분야의 혁신을 포함하여 새로운 제품의 생성과 보다 효율적인 프로세스를 지원할 것이라고 말했습니다. 그녀는 또한 순환 경제 접근 방식과 관련하여 예상되는 환경적 이점을 강조합니다. 또 다른 목표는 고출력 소용돌이에 대한 고급 예측 기술을 적용하여 유해 화학 물질의 사용을 줄이고 하드웨어의 크기와 에너지 수요를 줄이는 것입니다.

탐페레 대학의 Goëry Genty 교수는 “고출력 광학 소용돌이는 근본적인 관점에서 매력적일 뿐만 아니라 정밀 제조에서 고해상도 이미징으로 응용 분야를 전환할 수 있는 잠재력을 보유하고 있습니다.”라고 덧붙였습니다.

포토닉스 혁신을 위한 유럽 전역 파트너십

HiPOVor 네트워크는 유럽 전역의 대학, 산업 협력자 및 연구 기관을 모아 포토닉스 분야의 혁신과 지식 교환을 지원합니다.

이 프로젝트는 2026년 1월 1일에 시작될 예정입니다. 이 컨소시엄에는 구조광 및 고출력 레이저 기술을 전문으로 하는 8개의 주요 학술 기관, 세계에서 가장 강력한 레이저 시설인 극광 인프라-핵물리학(ELI-NP) 및 9개의 산업 파트너가 참여합니다.

MSCA는 Horizon Europe의 일부이며 박사 및 박사후 연구원 교육을 위한 유럽 연합의 주요 자금 지원 프로그램입니다.

궤도 각운동량을 전달하는 광선인 광학 소용돌이는 초정밀 재료 처리, 입자 가속, 데이터 전송 용량 확장 및 차세대 포토닉스 구현을 위한 놀라운 기회를 제공합니다. 그러나 이러한 빔을 생성하고 이동하거나 다른 재료와 상호 작용할 때 고유한 특성을 유지할 수 있는 신뢰할 수 있는 기술이 부족하여 광범위한 사용이 제한되었습니다.

HiPOVor MSCA 박사 네트워크는 조정된 연구와 학제간 교육을 통해 이러한 장애물을 해결하려고 합니다. 참가자들은 구성 요소 설계, 빛이 물질과 어떻게 상호 작용하는지 연구하는 것부터 고출력 증폭을 개선하고 실용적인 애플리케이션을 발전시키는 것까지 전체 개발 파이프라인에 걸쳐 기술을 개발하게 됩니다.

포토닉스 분야의 미래 전문가 준비

탐페레 대학의 프로젝트 코디네이터인 Regina Gumenyuk 박사는 “우리의 박사 네트워크는 포토닉스 분야의 차세대 과학자와 혁신가를 양성하는 것입니다.”라고 말합니다.

Gumenyuk은 네트워크가 광학 부품 및 나노제조 분야의 혁신을 포함하여 새로운 제품의 생성과 보다 효율적인 프로세스를 지원할 것이라고 말했습니다. 그녀는 또한 순환 경제 접근 방식과 관련하여 예상되는 환경적 이점을 강조합니다. 또 다른 목표는 고출력 소용돌이에 대한 고급 예측 기술을 적용하여 유해 화학 물질의 사용을 줄이고 하드웨어의 크기와 에너지 수요를 줄이는 것입니다.

탐페레 대학의 Goëry Genty 교수는 “고출력 광학 소용돌이는 근본적인 관점에서 매력적일 뿐만 아니라 정밀 제조에서 고해상도 이미징으로 응용 분야를 전환할 수 있는 잠재력을 보유하고 있습니다.”라고 덧붙였습니다.

포토닉스 혁신을 위한 유럽 전역 파트너십

HiPOVor 네트워크는 유럽 전역의 대학, 산업 협력자 및 연구 기관을 모아 포토닉스 분야의 혁신과 지식 교환을 지원합니다.

이 프로젝트는 2026년 1월 1일에 시작될 예정입니다. 이 컨소시엄에는 구조광 및 고출력 레이저 기술을 전문으로 하는 8개의 주요 학술 기관, 세계에서 가장 강력한 레이저 시설인 극광 인프라-핵물리학(ELI-NP) 및 9개의 산업 파트너가 참여합니다.

MSCA는 Horizon Europe의 일부이며 박사 및 박사후 연구원 교육을 위한 유럽 연합의 주요 자금 지원 프로그램입니다.

지구 물의 일부는 단백질 결합 부위나 합성 수용체에서 발견되는 분자 공동을 포함하여 매우 작은 공간에 존재합니다. 과학자들은 이렇게 제한된 지역의 물이 단순히 수동적인 방관자 역할을 하는지, 아니면 분자 상호 작용에 영향을 미치는지에 대해 오랫동안 논쟁을 벌여 왔습니다. KIT 나노기술 연구소의 Frank Biedermann 박사는 “보통 물 분자는 서로 가장 강하게 상호 작용합니다. 그러나 실험에서 얻은 데이터에 따르면 물은 이러한 좁은 구멍에서 비정상적으로 거동하는 것으로 나타났습니다.”라고 말했습니다. “우리는 이제 이러한 관찰의 이론적 기초를 제공할 수 있으며 분자 공동의 물이 에너지적으로 활성화된다는 것을 증명할 수 있습니다.”

“고에너지” 물이 중요한 이유

팀은 이 특이한 상태를 “매우 활력이 넘친다”고 설명합니다. 이는 갇힌 물이 빛나거나 거품이 나는 것을 의미하지 않습니다. 대신 일반 물보다 더 많은 에너지를 보유합니다. 간단한 비유는 사람들이 붐비는 엘리베이터에 꽉 들어차 있다는 것입니다. 문이 열리는 순간 그들은 서둘러 탈출합니다. 마찬가지로, 다른 분자가 도착하면 고에너지 물이 공동 밖으로 튀어나와 들어오는 분자가 열린 위치를 갖게 됩니다. 이러한 물의 방출은 새로운 물질과 분자 공동 사이의 결합을 강화하는 데 도움이 됩니다.

분자가 얼마나 강하게 결합할지 예측

이 효과를 조사하기 위해 연구자들은 쿠커비트(8)uril을 모델 “호스트” 분자로 사용했습니다. 이 구조는 “게스트” 분자를 보유할 수 있으며 높은 대칭성으로 인해 복잡한 단백질보다 연구하기가 훨씬 쉽습니다. 브레멘 컨스트럭터 대학교(Constructor University)의 베르너 나우(Werner Nau) 교수는 “게스트 분자에 따라 컴퓨터 모델을 통해 고에너지 물이 얼마나 더 많은 결합력을 생성하는지 계산할 수 있었습니다.”라고 설명합니다. “우리는 물이 더 에너지적으로 활성화될수록 그것이 대체될 때 게스트 분자와 호스트 사이의 결합을 더 잘 촉진한다는 것을 발견했습니다.”

Biedermann은 계속해서 다음과 같이 말합니다. “얻은 데이터는 고에너지 물 분자의 개념이 물리적으로 확립되어 있으며 바로 그 물 분자가 분자 결합 형성 중 중심 원동력이라는 것을 분명히 보여줍니다. 예를 들어 SARS-CoV-2에 대한 천연 항체라도 부분적으로 물 분자를 결합 구멍 안팎으로 운반하는 방식에 따라 효과가 있을 수 있습니다.”

의학 및 재료 과학의 잠재적 응용

이러한 발견은 약물 개발 및 첨단 재료에 중요한 영향을 미칠 수 있습니다. 약물 설계에서 표적 단백질 내부의 고에너지 물을 식별하면 화학자가 의도적으로 이 물을 밀어내고 에너지 기여를 활용하며 단백질에 더욱 강력하게 고정되어 궁극적으로 약물 효과를 향상시키는 분자를 만드는 데 도움이 될 수 있습니다. 재료 연구에서 그러한 물을 밀어내거나 대체하는 공동을 만들면 저장 능력이 향상된 더 나은 센서나 재료를 만들 수 있습니다.

결론에 도달하기 위해 연구팀은 분자 상호 작용 중 열 변화를 측정하는 데 사용되는 기술인 고정밀 열량계를 샌디에이고 캘리포니아 대학의 Jeffry Setiadi 박사와 Michael K. Gilson 교수가 개발한 컴퓨터 모델과 결합했습니다.

나고야 대학교 우주 지구 환경 연구소의 신보리 아츠키 박사가 이끄는 연구 노력은 폭풍 동안 직접적인 관찰을 수집하고 그러한 사건이 지구의 플라즈마권(행성을 둘러싸고 있는 하전 입자의 보호 영역)을 어떻게 압박하는지에 대한 최초의 상세한 보기를 생성했습니다. 결과는 다음에서 발표되었습니다. 지구, 행성 및 우주강렬한 태양 교란 중에 플라즈마권과 전리층이 어떻게 반응하는지 보여주고 극한의 우주 기상으로 인한 위성 중단, GPS 문제 및 통신 문제에 대한 예측을 개선할 수 있는 통찰력을 제공합니다.

Arase 위성은 희귀한 플라즈마권 붕괴를 포착합니다

2016년 일본 항공우주 탐사국(JAXA)이 발사한 아라세 위성은 지구의 플라즈마권을 여행하며 플라즈마파와 자기장을 측정합니다. 2024년 5월 슈퍼폭풍 동안, 플라즈마권의 심각한 압축과 그에 따른 길고 느린 회복을 기록하기에 이상적인 위치에 있었습니다. 이것은 과학자들이 수퍼스톰 동안 플라즈마권이 그렇게 낮은 고도로 수축하는 것을 보여주는 지속적이고 직접적인 데이터를 얻은 최초의 기록입니다.

“우리는 Arase 위성을 사용하여 플라즈마권의 변화를 추적하고 지상 기반 GPS 수신기를 사용하여 플라즈마권을 다시 채우는 전하 입자의 원천인 전리층을 모니터링했습니다. 두 층을 모두 모니터링하면 플라즈마권이 얼마나 극적으로 수축되고 회복에 그렇게 오랜 시간이 걸리는지 알 수 있었습니다.”라고 Shinbori 박사는 설명했습니다.

슈퍼폭풍으로 플라즈마스피어가 기록적인 최저 고도로 이동

플라즈마권은 지구 자기장과 함께 작동하여 태양과 깊은 우주에서 유해한 하전 입자를 차단하여 위성 및 기타 기술을 자연적으로 보호합니다. 정상적인 조건에서 이 지역은 지구에서 멀리 뻗어 있지만 5월의 폭풍으로 인해 표면 위 약 44,000km에서 안쪽으로 바깥쪽 가장자리가 9,600km로 늘어났습니다.

태양에서 여러 번의 대규모 폭발이 발생한 후 형성된 폭풍은 수십억 톤의 하전 입자를 지구로 방출했습니다. 단 9시간 만에 플라즈마권은 평소 크기의 약 1/5로 압축되었습니다. 복구 시간은 비정상적으로 느려서 재충전하는 데 4일 이상이 소요되었으며, 이는 Arase가 2017년 지역 모니터링을 시작한 이후 기록된 복구 시간 중 가장 긴 시간입니다.

“우리는 폭풍이 처음에는 극 근처에서 강렬한 가열을 일으켰지만 나중에 이로 인해 전리층 전체의 하전 입자가 크게 떨어져 회복 속도가 느려졌다는 사실을 발견했습니다. 이러한 장기간의 중단은 GPS 정확도에 영향을 미치고 위성 작동을 방해하며 우주 일기 예보를 복잡하게 만들 수 있습니다.”라고 Shinbori 박사는 말했습니다.

슈퍼폭풍은 오로라를 적도쪽으로 더 멀리 밀어냅니다.

폭풍이 최고조에 달했을 때 태양의 활동으로 인해 지구의 자기장이 너무 강하게 압축되어 대전 입자가 자기장선을 따라 적도를 향해 훨씬 더 멀리 이동할 수 있었습니다. 그 결과, 좀처럼 경험하기 어려운 곳에서도 선명한 오로라가 나타났다.

오로라는 일반적으로 극 근처에서 발생하는데, 이는 지구의 자기장이 태양 입자를 그곳의 대기로 전달하기 때문입니다. 이 폭풍은 오로라 영역을 북극과 남극권 근처의 일반적인 위치보다 훨씬 더 멀리 이동시켜 오로라가 거의 보이지 않는 일본, 멕시코, 남부 유럽과 같은 중위도 지역에서 디스플레이를 생성할 만큼 강력했습니다. 더 강한 지자기 폭풍으로 인해 빛이 점점 더 적도 지역에 도달할 수 있습니다.

부정적인 폭풍으로 인해 플라즈마구의 정상 복귀 속도가 느려집니다.

수퍼스톰이 도달한 지 약 한 시간 후, 전하를 띤 입자가 고위도의 지구 상층 대기를 통해 급증하여 극지방을 향해 흘러갔습니다. 폭풍이 약화됨에 따라 플라즈마권은 전리층에서 공급되는 입자로 보충되기 시작했습니다.

이 리필 과정은 보통 하루나 이틀밖에 걸리지 않지만, 이 경우 네거티브 스톰(Negative Storm)으로 알려진 현상으로 인해 복구가 4일까지 늘어났습니다. 음의 폭풍에서는 강렬한 가열로 인해 대기 화학이 변할 때 전리층의 입자 수준이 넓은 지역에서 급격히 떨어집니다. 이는 플라즈마권을 복원하는 데 필요한 수소 입자를 생성하는 데 도움이 되는 산소 이온을 감소시킵니다. 부정적인 폭풍은 눈에 보이지 않으며 위성을 통해서만 감지할 수 있습니다.

“음성 폭풍은 대기 화학을 변경하고 플라즈마권으로의 입자 공급을 차단하여 회복 속도를 늦췄습니다. 음성 폭풍과 지연된 회복 사이의 이러한 연관성은 이전에 명확하게 관찰된 적이 없습니다”라고 Shinbori 박사는 말했습니다.

이러한 발견이 우주 기상 및 기술에 중요한 이유

이러한 결과는 극심한 태양 폭풍 동안 플라즈마권이 어떻게 변하는지, 에너지가 이 공간 영역을 통해 어떻게 이동하는지에 대한 보다 명확한 이해를 제공합니다. 여러 위성에서 전기적 문제가 발생하거나 이벤트 중에 데이터 전송이 중단되었으며 GPS 신호의 정확도가 떨어지고 무선 통신이 중단되었습니다. 지구의 플라즈마 층이 그러한 교란으로부터 회복하는 데 걸리는 시간을 아는 것은 미래 우주 기상을 예측하고 지구 근처 우주의 안정적인 조건에 의존하는 기술을 보호하는 데 필수적입니다.

팀은 XL-Calibur로 알려진 풍선 운반 망원경을 약 7,000광년 떨어진 곳에 위치한 잘 연구된 블랙홀인 Cygnus X-1을 향해 지시했습니다. “우리가 수행한 관찰은 과학자들이 블랙홀에 가까운 물리적 과정에 대한 점점 더 현실적이고 최첨단 컴퓨터 시뮬레이션을 테스트하는 데 사용될 것입니다.”라고 Wilfred R. 및 Ann Lee Konneker 물리학 교수이자 WashU의 McDonnell 우주 과학 센터 연구원인 Henric Krawczynski가 말했습니다.

블랙홀 근처의 편광 측정

XL-Calibur는 전자기 진동의 방향을 설명하는 특성인 빛의 편광을 측정하도록 설계되었습니다. 이 빛이 어떻게 편광되는지 연구함으로써 과학자들은 극도의 속도로 블랙홀 주위를 소용돌이치는 극도로 뜨거운 가스와 잔해의 모양과 행동에 대한 귀중한 단서를 얻을 수 있습니다.

The Asphysical Journal의 최근 논문은 Cygnus X-1 관측의 최신 결과를 다루고 있으며 지금까지 블랙홀의 하드 X선 편광에 대한 가장 정확한 측정을 보고합니다. 이 출판물에는 교신저자로 활동한 대학원생 Ephraim Gau와 박사후 연구원 Kun Hu를 포함하여 많은 WashU 연구자들의 기고가 포함되어 있습니다.

“만약 우리가 하늘에서 Cyg X-1을 찾으려고 한다면, 우리는 X선 빛의 아주 작은 지점을 찾고 있을 것입니다”라고 Gau는 말했습니다. “그래서 편광은 지구에서 일반적인 사진을 찍을 수 없을 때 블랙홀 주변에서 일어나는 모든 일을 배우는 데 유용합니다.”

북반구를 횡단하는 풍선 비행

이러한 발견은 XL-Calibur의 2024년 7월 스웨덴에서 캐나다까지의 열기구 비행에서 나온 것입니다. 이 임무 동안 장비는 또한 하늘에서 가장 밝고 안정적인 X-선 소스 중 하나인 게 펄서 및 주변 바람 성운으로부터 데이터를 수집했습니다.

Krawczynski는 2024년 비행이 Cygnus X-1과 Crab 펄서에 대한 상세한 측정을 포함하여 여러 기술적 이정표를 세웠다고 언급했습니다.

XL-Calibur 공동 작업자이자 스웨덴 KTH 왕립기술연구소 교수인 Mark Pearce는 “XL-Calibur에 대해 WashU 및 미국과 일본의 다른 그룹과 협력하는 것은 매우 보람 있는 일이었습니다.”라고 말했습니다. “Crab과 Cyg X-1에 대한 우리의 관찰은 XL-Calibur 디자인이 건전하다는 것을 분명히 보여줍니다. 이제 새로운 풍선 비행으로 이러한 성공을 구축할 수 있기를 바랍니다.”

미래의 임무를 예측하다

연구팀은 2027년 남극 대륙에서 망원경이 발사될 예정인 동안 추가 블랙홀과 중성자 별을 관찰하는 것을 목표로 하고 있습니다. 연구 대상의 범위를 확장함으로써 연구자들은 이러한 극한 환경에서 물질이 어떻게 행동하는지에 대한 보다 완전한 그림을 만들기를 희망합니다.

프로젝트의 주요 조사자인 Krawczynski는 “IXPE와 같은 NASA 위성의 데이터와 결합하면 향후 몇 년 안에 블랙홀 물리학에 대한 오랜 질문을 해결할 수 있는 충분한 정보를 곧 얻게 될 것입니다.”라고 덧붙였습니다.

세계적인 과학적 노력

XL-Calibur는 WashU, 뉴햄프셔 대학교, 오사카 대학교, 히로시마 대학교, ISAS/JAXA, 스톡홀름의 KTH 왕립공과대학, Goddard 우주 비행 센터(및 Wallops 비행 시설)를 포함한 광범위한 기관 협력과 13개의 추가 연구 기관의 지원을 받습니다.

세인트루이스에 있는 워싱턴 대학 팀은 또한 세인트루이스에 있는 워싱턴 대학의 우주 과학을 위한 맥도넬 센터의 지원과 함께 보조금 80NSSC20K0329, 80NSSC21K1817, 80NSSC22K1291, 80NSSC22K1883, 80NSSC23K1041 및 80NSSC24K1178을 통해 NASA의 자금 지원을 인정합니다. 루이스.

“우리의 분석에 따르면 태양계는 현재 모델이 예측하는 것보다 3배 이상 빠르게 움직이고 있습니다.”라고 수석 저자인 Lukas Böhme는 말했습니다. “이 결과는 표준 우주론에 기초한 기대와 분명히 모순되며 이전 가정을 재고하게 만듭니다.”

하늘의 전파 은하에 대한 새로운 시각

태양계의 움직임을 결정하기 위해 연구팀은 무선 신호에 사용되는 것과 유사한 매우 긴 파장을 갖는 전자기 복사의 형태인 특히 강한 전파를 방출하는 먼 은하인 소위 전파 은하의 분포를 분석했습니다. 전파는 가시광선을 가리는 먼지와 가스를 통과할 수 있기 때문에 전파 망원경은 광학 기기로는 볼 수 없는 은하계를 관찰할 수 있습니다.

태양계가 우주를 가로질러 이동할 때, 이 움직임은 미묘한 “역풍”을 생성합니다. 즉, 이동 방향으로 약간 더 많은 전파 은하가 나타납니다. 그 차이는 매우 작으며 극도로 민감한 측정을 통해서만 감지할 수 있습니다.

유럽 ​​전역의 전파 망원경 네트워크인 LOFAR(저주파 배열) 망원경의 데이터와 두 개의 추가 전파 관측소의 데이터를 결합하여 연구원들은 처음으로 그러한 전파 은하의 수를 특히 정확하게 계산할 수 있었습니다. 그들은 많은 전파은하가 여러 구성요소로 구성되어 있다는 사실을 설명하는 새로운 통계 방법을 적용했습니다. 이러한 개선된 분석은 더 크지만 더 현실적인 측정 불확실성을 가져왔습니다.

그럼에도 불구하고, 세 전파 망원경 모두의 데이터 조합에서는 5 시그마를 초과하는 편차가 나타났습니다. 이는 과학에서 중요한 결과의 증거로 간주되는 통계적으로 매우 강력한 신호입니다.

우주론적 결과

이 측정은 우주의 표준 모델이 예측하는 것보다 3.7배 더 강한 전파은하 분포의 이방성(“쌍극자”)을 보여줍니다. 이 모델은 빅뱅 이후 우주의 기원과 진화를 설명하고 물질의 대체로 균일한 분포를 가정합니다.

이번 연구의 공동 저자이자 빌레펠트 대학의 우주학자인 Dominik J. Schwarz 교수는 “만약 우리 태양계가 정말로 이렇게 빠르게 움직이고 있다면, 우리는 우주의 대규모 구조에 대한 근본적인 가정에 의문을 제기할 필요가 있습니다.”라고 설명합니다. “또는 전파 은하 자체의 분포가 우리가 생각했던 것보다 덜 균일할 수도 있습니다. 두 경우 모두 현재 모델이 테스트를 받고 있습니다.”

새로운 결과는 초거대 블랙홀이 물질을 소비하고 엄청난 양의 에너지를 방출하는 먼 은하계의 극도로 밝은 중심인 퀘이사를 연구자들이 연구했던 이전 관측을 확증해 줍니다. 이 적외선 데이터에서도 동일한 특이한 효과가 나타났는데, 이는 측정 오류가 아니라 우주의 진정한 특징임을 암시합니다.

이 연구는 새로운 관측 방법이 어떻게 우주에 대한 우리의 이해를 근본적으로 바꿀 수 있는지, 그리고 우주에서 아직 발견할 것이 얼마나 남아 있는지를 강조합니다.

암모니아는 비료 생산에서 중심적인 역할을 하며 현대 농업에 필수적입니다. 오늘날 대부분의 암모니아는 극도로 높은 온도와 압력에서 질소와 수소를 결합하는 Haber-Bosch 공정을 통해 생산됩니다. 이 접근 방식은 많은 양의 에너지를 필요로 하며 전 세계 이산화탄소 배출량의 약 1.4%를 차지하는 것으로 추정됩니다. 암모니아는 세계 식량 공급과 매우 밀접하게 연관되어 있기 때문에 더 깨끗한 대안을 개발하려는 강한 동기가 있습니다.

암모니아로의 저온 경로 조사

도쿄 수도 대학 아마노 후미아키 교수가 이끄는 연구 그룹은 실온 및 상압에서 질산염으로부터 암모니아를 생성하는 새로운 방법인 전기화학적 질산염 환원 반응에 중점을 두었습니다. 전기화학 기술은 특정 반응을 유발하기 위해 전압을 가하는 동안 화학 용액에 전극을 배치하는 방식입니다. 초기 연구에서는 암모니아 형성 중 전극에서 발생하는 개별 단계가 확인되었지만 전체 이벤트 순서를 파악하기는 여전히 어렵습니다.

고급 도구를 사용하여 촉매 변경 사항 추적

고급 측정 기술을 사용하여 팀은 산화구리 촉매가 존재할 때 암모니아가 어떻게 형성되는지 훨씬 더 명확하게 이해했으며, 산화구리는 이 반응에 대한 가장 강력한 전기촉매 중 하나로 간주됩니다. 그들은 전자적 행동과 국소적 구조 변화를 모두 조사하는 기술인 Operando X-ray 흡수에 의존했습니다. 작은 구리 산화물 입자를 탄소 섬유에 부착함으로써 인가된 전압이 점점 음수로 변할 때 재료가 어떻게 반응하는지 관찰할 수 있었습니다.

양전압 하에서 그들은 질산염 이온이 촉매의 표면에 부착하여 촉매를 “부동태화”하여 산화구리가 금속 구리로 변환되는 것을 방지하고 대신 아질산염 이온을 형성한다는 사실을 발견했습니다. 전압이 더 음수가 되면 암모니아 생산량이 급격히 증가합니다. 이러한 증가는 금속 구리 입자가 나타나는 것과 동시에 발생하며, 이는 구리-구리 결합의 큰 점프로 확인됩니다. 연구진은 이 금속 구리가 아질산염 이온에 수소를 추가하여 암모니아 형성을 돕는다는 사실을 확인했습니다.

보다 효율적인 녹색 암모니아를 향한 길

연구 결과는 표면 부동태화가 구리 산화물의 성능에 어떻게 영향을 미치는지 보여주고 반응 중에 금속 구리를 생성하는 것이 효율적인 암모니아 생산에 필수적이라는 것을 보여줍니다. 이러한 결과는 녹색 암모니아 방법을 개선하고 차세대 전기화학적 촉매를 설계하기 위한 광범위한 전략 세트를 나타냅니다.

이 연구는 도쿄도립대학과 도쿄 글로벌 파트너 장학금 프로그램의 지원을 받았으며 신에너지 및 산업 기술 개발기구(NEDO)가 의뢰한 프로젝트 JPNP14004의 결과를 기반으로 합니다.

철성 재료가 이 범주에 속합니다. 이러한 솔리드는 두 가지 개별 상태 간에 전환될 수 있습니다. 잘 알려진 예로는 반대 자기 방향 사이를 전환하는 강자성체와 반대되는 전기 분극을 유지할 수 있는 강유전체가 있습니다. 자기장이나 전기장에 반응하는 능력으로 인해 강성 재료는 많은 현대 전자 및 데이터 저장 장치의 필수 구성 요소가 되었습니다.

그러나 제한이 없는 것은 아닙니다. 하드 드라이브 근처의 강한 자기장과 같은 외부 방해에 민감하며 일반적으로 시간이 지남에 따라 성능이 저하됩니다. 이러한 과제로 인해 연구자들은 더욱 탄력적인 새로운 스토리지 접근 방식을 찾게 되었습니다.

강축 재료와 그 특이한 소용돌이 상태

강축성 재료는 강성 계열의 새로운 계열을 나타냅니다. 자기 또는 전기 분극 상태에 의존하는 대신 이러한 물질은 전기 쌍극자의 소용돌이를 포함합니다. 이러한 소용돌이는 순 자화나 순 전기 분극을 생성하지 않으면서 두 개의 반대 방향을 가리킬 수 있습니다. 그들은 극도로 안정적이고 외부 자기장에 자연적으로 저항력이 있지만, 동일한 안정성으로 인해 조작하기가 매우 어려워지고 이 분야의 과학적 진보가 제한됩니다.

테라헤르츠 광을 사용하여 강축 상태 전환

Andrea Cavalleri가 이끄는 팀은 이제 이러한 파악하기 어려운 상태를 제어하는 ​​방법을 시연했습니다. 연구진은 루비듐 철 디몰리브데이트(RbFe(MoO₄)2)라는 물질의 시계 방향과 반시계 방향의 강축 도메인 사이를 전환하기 위해 원형 편광 테라헤르츠 펄스를 사용했습니다.

주저자인 Zhiyang Zeng은 “우리는 테라헤르츠 펄스가 결정 격자의 이온을 원 모양으로 움직일 때 발생하는 합성 유효 장을 이용합니다.”라고 설명합니다. “이 유효장은 마치 자기장이 강자성체를 전환하거나 전기장이 강유전성 상태를 반전시키는 것처럼 강축 상태에 결합될 수 있습니다.”라고 그는 덧붙였습니다.

원형 편파 펄스의 나선형 또는 비틀림을 변경함으로써 팀은 전기 쌍극자의 시계 방향 또는 시계 반대 방향 배열을 안정화할 수 있었습니다. 동료 저자인 Michael Först는 “이러한 방식으로 두 개의 강성 상태에서 정보 저장을 가능하게 합니다. 강축은 탈분극 전기장 또는 표류 자기장이 없기 때문에 안정적이고 비휘발성 데이터 저장을 위한 매우 유망한 후보입니다.”라고 말했습니다.

미래 초고속 정보 기술에 대한 시사점

Andrea Cavalleri는 “이것은 초고속 정보 저장을 위한 강력한 플랫폼 개발의 새로운 가능성을 열어주는 흥미로운 발견입니다.”라고 말했습니다. 그는 또한 이 연구가 비전통적인 물질 위상을 조작하기 위한 강력한 도구로서 2017년에 그룹이 처음 시연한 원형 포논 필드의 중요성이 커지고 있음을 강조한다고 덧붙였습니다.

이 연구는 막스 플랑크 협회(Max Planck Society)와 옥스퍼드 대학교와의 협력을 촉진하는 막스 플랑크 양자 재료 대학원 센터(Max-Planck Graduate Center for Quantum Materials)의 지원을 많이 받았습니다. 추가 지원은 우수성 클러스터 ‘CUI: Advanced Imaging of Matter’를 통해 Deutsche Forschungsgemeinschaft에서 제공됩니다. MPSD는 DESY 및 함부르크 대학교와 함께 자유 전자 레이저 과학 센터(CFEL)의 파트너이기도 합니다.

오픈 액세스 저널에 게재된 그들의 연구 결과 ACS 중앙과학금, 은, 백금과 같은 귀금속이 촉매 공정에서 탁월한 이유를 설명합니다. 결과는 또한 고급 촉매 재료 설계에 대한 새로운 가능성을 제시합니다.

현대 산업에서 촉매가 중요한 이유

특정 화학 반응에 필요한 에너지 양을 줄이는 물질인 산업용 촉매는 제조업체가 주요 재료를 생산할 때 반응 속도, 수율 또는 효율성을 높이는 데 도움이 됩니다. 이는 제약 및 배터리부터 원유 정제와 같은 석유화학 작업에 이르기까지 다양한 분야에서 중요한 역할을 하며 생산 시스템이 글로벌 수요를 충족할 수 있도록 해줍니다.

촉매 속도, 신뢰성 및 제어를 개선하는 것은 대규모 연료, 화학 물질 및 재료 부문의 주요 목표가 되었습니다. 이러한 산업이 확장됨에 따라 보다 효율적이고 저렴한 촉매 시스템을 개발하려는 경쟁이 전 세계적으로 더욱 심화되었습니다.

분자가 금속과 전자를 공유하는 방법 발견

분자가 촉매 표면을 만나면 전자의 일부를 금속(이 경우 금, 은 또는 백금)과 교환합니다. 이 상호 작용은 분자를 일시적으로 안정화시켜 반응이 진행되도록 합니다. 과학자들은 100년 넘게 이러한 행동을 의심해 왔지만, 관련된 전자의 아주 작은 부분을 직접 측정한 적은 없었습니다.

미네소타 대학에 기반을 둔 프로그램 가능 에너지 촉매 센터의 연구원들은 이제 IET(등전위 전자 적정)라는 기술을 사용하여 이러한 전자 공유를 직접 측정할 수 있음을 입증했습니다.

촉매 작용에 대한 더욱 명확한 보기

미네소타 대학 화학공학 박사인 저스틴 홉킨스(Justin Hopkins)는 “이렇게 믿을 수 없을 만큼 작은 규모에서 전자의 일부를 측정하면 촉매 위의 분자 거동에 대한 가장 명확한 시각을 제공한다”고 말했습니다. 학생이자 연구의 주요 저자입니다. “역사적으로 촉매 엔지니어들은 표면의 분자를 이해하기 위해 이상적인 조건에서 보다 간접적인 측정에 의존했습니다. 대신에 이 새로운 측정 방법은 촉매 관련 조건에서 표면 결합에 대한 실질적인 설명을 제공합니다.”

촉매 표면에서 전자 이동이 얼마나 많이 발생하는지 정확히 아는 것은 촉매가 얼마나 효과적으로 수행되는지 이해하는 데 필수적입니다. 전자를 더 쉽게 공유하는 분자는 더 강하게 결합하고 더 쉽게 반응하는 경향이 있습니다. 귀금속은 촉매 반응을 촉진하는 데 필요한 이상적인 수준의 전자 공유를 달성하지만 지금까지 이러한 공유의 정확한 규모는 직접 포착된 적이 없습니다.

촉매 발견을 위한 새로운 도구로서의 IET

이제 IET 기술을 사용하여 새로운 촉매 제제를 직접 설명하고 비교할 수 있으므로 연구자들은 유망한 물질을 보다 신속하게 식별할 수 있습니다.

“IET를 통해 우리는 백금 위의 수소 원자의 경우와 같이 1% 미만의 수준에서 촉매 표면과 공유되는 전자의 비율을 측정할 수 있었습니다.”라고 교신 저자이자 University of Houston Cullen College of Engineering의 William A. Brookshire 화학 및 생체분자 공학과 부교수인 Omar Abdelrahman이 말했습니다. “수소 원자는 백금 촉매에 결합할 때 전자의 0.2%만을 포기하지만, 그 작은 비율로 인해 산업 화학 제조에서 수소가 반응할 수 있습니다.”

나노기술, 기계 학습 및 촉매작용 연결

방대한 데이터 세트를 검색하고 분석할 수 있는 기계 학습 도구와 결합된 촉매 구축을 위한 나노기술 기술의 급속한 성장으로 이미 알려진 촉매 물질의 카탈로그가 확장되었습니다. IET는 연구자들이 기본적인 전자 수준에서 촉매 작용을 직접 조사할 수 있도록 함으로써 세 번째 보완적인 접근 방식을 제공합니다.

“산업을 위한 새로운 촉매 기술의 기초는 항상 기본적인 기초 연구였습니다.”라고 미네소타 대학의 프로그래밍 가능 에너지 촉매 센터 소장이자 교수인 Paul Dauenhauer는 말합니다. “부분 전자 분포에 대한 이 새로운 발견은 향후 수십 년 동안 새로운 에너지 기술을 주도할 것이라고 믿는 촉매를 이해하기 위한 완전히 새로운 과학적 기반을 구축합니다.”

더 큰 국가 이니셔티브의 일부

이번 발견은 미국 에너지부의 에너지 프론티어 연구 센터 중 하나인 프로그램 가능 에너지 촉매 센터의 광범위한 임무를 지원합니다. 센터는 2022년 출범 이후 첨단 동적촉매시스템을 통한 소재, 화학물질, 연료 생산을 목표로 차세대 촉매기술 개발에 힘써왔다.