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경량 물질 시스템에서는 많은 방사체(예: 원자)가 공동 내에서 동일한 광학 모드를 공유합니다. 이 모드는 거울 사이에 갇힌 빛의 패턴을 나타내며, 고립된 원자가 나타낼 수 없는 집단적 행동을 가능하게 합니다. 핵심적인 예는 원자가 완벽한 동기화로 빛을 방출하여 개별 방출의 합보다 훨씬 더 큰 밝기를 생성하는 양자 효과인 초복사입니다.

초복사에 대한 대부분의 초기 연구에서는 가벼운 물질 결합이 지배적이라고 가정하여 전체 원자 그룹을 공동의 전자기장에 연결된 하나의 큰 “거대한 쌍극자”로 모델링했습니다. 연구의 첫 번째 저자이자 바르샤바 대학교에서 박사 학위를 취득했으며 현재 신기술 센터에서 연구를 수행하고 있는 João Pedro Mendonça 박사는 “광자는 각 방사체를 공동 내부의 다른 방사체와 연결하는 중재자 역할을 합니다.”라고 설명합니다. 그러나 실제 물질에서는 인근 원자도 종종 간과되는 단거리 쌍극자-쌍극자 힘을 통해 상호 작용합니다. 새로운 연구는 이러한 고유한 원자-원자 상호작용을 고려할 때 어떤 일이 일어나는지 조사합니다. 연구 결과는 그러한 상호 작용이 초복사를 담당하는 광자 매개 결합과 경쟁하거나 강화할 수 있음을 보여줍니다. 이 균형을 이해하는 것은 빛과 물질이 서로 강하게 영향을 미치는 실험을 해석하는 데 필수적입니다.

가벼운 물질 상호작용에서 얽힘의 역할

이 동작의 중심에는 양자 얽힘, 즉 양자 상태를 공유하는 입자 간의 깊은 연결이 있습니다. 그러나 많은 일반적인 이론적 방법은 빛과 물질을 별도의 실체로 취급하여 이 중요한 연결 고리를 삭제합니다. “반고전주의 모델은 양자 문제를 크게 단순화하지만 중요한 정보를 잃는 대가를 치르게 됩니다. 그들은 광자와 원자 사이의 가능한 얽힘을 사실상 무시하며 어떤 경우에는 이것이 좋은 근사치가 아니라는 것을 발견했습니다.”라고 저자는 지적합니다.

이 문제를 해결하기 위해 팀은 얽힘을 명시적으로 표현하는 계산 방법을 개발하여 원자 및 광자 하위 시스템 내부와 사이의 상관 관계를 추적할 수 있도록 했습니다. 그들의 결과는 인접한 원자 사이의 직접적인 상호 작용이 초복사에 대한 임계값을 낮출 수 있으며 핵심 특성을 공유하는 이전에 알려지지 않은 정렬된 위상을 드러낼 수도 있음을 보여줍니다. 전반적으로, 이 연구는 가벼운 물질 행동의 전체 범위를 정확하게 설명하기 위해서는 얽힘을 포함하는 것이 필수적이라는 것을 보여줍니다.

양자 기술에 대한 시사점

이 발견은 근본적인 이해를 심화하는 것 외에도 미래 양자 기술에 실질적인 의미를 갖습니다. 공동 기반 경량 물질 시스템은 양자 배터리(집단 양자 효과를 활용하여 훨씬 빠르게 충전 및 방전할 수 있는 개념적 에너지 저장 장치)를 포함한 많은 신흥 장치의 핵심입니다. Superradiance는 두 프로세스의 속도를 모두 높여 전반적인 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

새로운 발견은 미세한 원자 상호 작용이 이러한 과정에 어떻게 영향을 미치는지 명확하게 보여줍니다. 원자-원자 상호 작용의 강도와 특성을 조정함으로써 과학자들은 초복사에 필요한 조건을 조정하고 에너지가 시스템을 통해 이동하는 방식을 제어할 수 있습니다. João Pedro Mendonça는 “모델에서 가벼운 물질의 얽힘을 유지하면 장치가 언제 빠르게 충전되고 언제 충전되지 않을지 예측할 수 있습니다. 이는 다체 효과를 실용적인 설계 규칙으로 전환합니다”라고 João Pedro Mendonça는 말했습니다. 유사한 원리는 양자 통신 네트워크와 고정밀 센서를 발전시킬 수도 있습니다.

이 연구는 여러 기관의 전문 지식을 한자리에 모은 국제 파트너십을 통해 성장했습니다. João Pedro Mendonça는 바르샤바 대학교의 “Excellence Initiative – Research University”(IDUB) 프로그램과 폴란드 국립 학술 교류 기관(NAWA)의 지원을 받아 미국에서 여러 차례 연구 체류를 수행했습니다. 연구원들은 협업과 이동성이 성공의 핵심이라고 강조합니다. “이것은 국제적인 이동성과 협력이 어떻게 획기적인 발전의 문을 열 수 있는지 보여주는 훌륭한 예입니다.”라고 팀은 결론지었습니다.

에 게시됨 과학 보고서일부 자연 저널 그룹에 따르면, 이 연구는 성인이 일시적으로 자신의 얼굴을 어린아이 같은 모습으로 본 후 초기 기억에 더 효과적으로 접근할 수 있음을 보여주는 최초의 연구입니다.

“Enfacement Illusion”이 마음과 몸을 다시 연결하는 방법

케임브리지 소재 앵글리아 러스킨 대학(ARU)의 신경과학자들이 50명의 성인 지원자를 대상으로 한 연구를 주도했습니다. 이 실험에서는 사람들이 화면에 보이는 또 다른 얼굴이 실제로 자신의 모습인 것처럼 느끼도록 돕는 기술인 ‘인페이스먼트 환상’을 사용했습니다.

각 참가자는 자신의 어린 시절 모습과 유사하도록 이미지 필터를 사용하여 디지털 방식으로 수정된 자신의 얼굴이 담긴 라이브 비디오를 시청했습니다. 참가자들이 머리를 움직일 때 화면의 이미지가 그들의 움직임을 반영하여 어린아이 같은 얼굴이 정말로 그들의 얼굴인 것 같은 느낌을 만들어 냈습니다. 통제 그룹은 동일한 설정을 경험했지만 변경되지 않은 성인 얼굴을 보았습니다.

환상을 완성한 후 참가자들은 어린 시절과 전년도에 대한 기억을 불러일으키기 위해 고안된 자서전적 기억 인터뷰에 참여하도록 요청 받았습니다.

어린 시절 기억 회상의 확실한 향상

연구자들은 참가자들이 일화적인 자서전적 기억을 설명할 때 얼마나 많은 세부 사항을 포함했는지 측정했습니다. 이는 사람이 과거 경험을 정신적으로 재현하고 자신의 마음 속에서 “시간을 거슬러 여행”할 수 있게 해주는 일종의 기억입니다.

그 결과, 자신의 어린 시절을 본 사람들은 평범한 성인 얼굴을 본 사람들보다 어린 시절의 사건을 훨씬 더 자세히 기억하는 것으로 나타났습니다. 이번 결과는 신체적 자기 인식의 미묘한 변화가 우리가 먼 기억에 접근하는 정도에 영향을 미칠 수 있다는 첫 번째 증거를 제공합니다.

기억 속 뇌-신체 연결 잠금 해제

연구원들에 따르면, 이 발견은 신체에 대한 우리의 인식이 기억과 어떻게 상호 작용하는지에 대한 새로운 시각을 제시합니다. 이는 결국 일반적으로 생애 첫 몇 년 동안의 기억 상실증으로 알려진 시기의 기억을 포함하여 잊혀지거나 접근하기 어려운 기억에 접근하는 새로운 방법으로 이어질 수 있습니다.

앵글리아 러스킨 대학교에서 박사 과정을 밟는 동안 연구를 수행했으며 현재 노스다코타 대학교에서 인지 신경과학 연구원으로 재직 중인 수석 저자 Utkarsh Gupta 박사는 다음과 같이 설명했습니다. “우리가 기억하는 모든 사건은 외부 세계의 경험일 뿐만 아니라 항상 존재하는 우리 몸의 경험이기도 합니다.

“우리는 신체적 자아에 대한 일시적인 변화, 특히 자신의 얼굴을 어린아이처럼 구현하는 것이 어린 시절의 기억에 대한 접근을 크게 향상시킬 수 있다는 것을 발견했습니다. 이는 뇌가 사건의 세부 사항의 일부로 신체 정보를 인코딩하기 때문일 수 있습니다. 유사한 신체적 신호를 다시 도입하면 수십 년 후에도 그러한 기억을 검색하는 데 도움이 될 수 있습니다.”

과거를 다시 방문하기 위해 자아를 재구성하기

선임 저자이자 앵글리아 러스킨 대학(Anglia Ruskin University)의 자아 및 신체 연구실 책임자인 Jane Aspell 교수는 다음과 같이 덧붙였습니다. “어린 시절의 기억이 형성되었을 때 우리는 다른 몸을 가졌습니다. 그래서 우리는 사람들이 그 몸의 측면을 다시 경험하도록 도울 수 있다면 그들이 그 당시의 기억을 회상하도록 도울 수 있을지 궁금했습니다.

“우리의 발견은 신체적 경험의 일시적인 변화가 원격 자서전적 기억에 대한 접근을 용이하게 할 수 있기 때문에 신체적 자아와 자서전적 기억이 연결되어 있음을 시사합니다.

“이러한 결과는 매우 흥미롭고 더욱 정교한 신체 환상을 사용하여 우리 삶의 다양한 단계에서 기억을 잠금 해제할 수 있음을 시사합니다. 아마도 유아기 초기부터라도 말이죠. 미래에는 기억 장애가 있는 사람들의 기억 회상에 도움이 될 수 있는 개입을 만들기 위해 환상을 적용하는 것이 가능할 수도 있습니다.”

문어, 오징어, 갑오징어 및 이들의 두족류 친척은 위장의 대가로서 피부색을 즉시 바꿔 주변 환경과 조화를 이룰 수 있습니다. 이 특별한 변화는 피부색이 변하는 데 중요한 역할을 하는 크산토마틴이라는 천연 색소에 의해 이루어집니다.

수년 동안 연구원들과 국방 기관조차도 잔토마틴의 빛에 반응하는 특성에 매료되었습니다. 그러나 실험실에서 이 색소를 복제하고 연구하는 것은 지금까지 매우 어려운 일이었습니다.

UC San Diego의 Scripps 해양학 연구소의 새로운 돌파구에서 과학자들은 대량의 잔토마틴을 생산하는 방법을 성공적으로 개발했습니다. 이는 동물이 놀라운 위장을 달성하는 방법을 해독하는 데 있어 중요한 진전을 의미합니다.

박테리아가 천연 색소 공장으로 변하다

연구팀은 생물학적에서 영감을 받은 접근 방식을 사용하여 박테리아 내부에서 색소를 생성할 수 있었으며 이전 방법보다 최대 1,000배 더 많은 생산 수준을 달성했습니다. 이러한 혁신은 광전자 공학, 열 코팅, 염료 및 자외선 차단 제품의 응용을 포함하여 재료 및 화장품에 지속 가능한 새로운 용도를 위한 길을 열 수 있습니다.

이번 연구의 수석저자이자 Scripps Oceanography와 UC San Diego Skaggs 약학 및 약학대학에 임명된 해양화학자인 Bradley Moore는 “우리는 처음으로 박테리아에서 물질(이 경우 크산토마틴)을 만드는 능력을 가속화하는 새로운 기술을 개발했습니다.”라고 말했습니다. “이 천연 색소는 문어나 오징어에게 위장 능력을 부여하는 환상적인 초능력입니다. 이 물질의 생산을 앞당긴 우리의 성과는 빙산의 일각에 불과합니다.”

오늘(11월 3일)에 게재되었습니다. 자연생명공학이 연구는 국립 보건원, 해군 연구실, 스위스 국립 과학 재단 및 Novo Nordisk 재단의 지원을 받았습니다.

연구원들에 따르면, 이번 성과는 동물 착색의 생물학적, 화학적 기초에 대한 이해를 심화시킬 뿐만 아니라 강력한 새로운 생명공학을 강조합니다. 동일한 기술을 사용하여 다른 귀중한 화합물을 생성할 수 있으며, 이는 산업이 석유 기반 제품에서 보다 지속 가능하고 자연에서 영감을 받은 재료로 전환하는 데 도움이 됩니다.

유망한 안료

두족류 외에도 크산토마틴은 절지동물 그룹 내의 곤충에서도 발견되며 제왕나비 날개의 밝은 주황색과 노란색 색조, 잠자리 몸체와 파리 눈에서 볼 수 있는 밝은 빨간색에 기여합니다.

잔토마틴의 환상적인 색상 특성에도 불구하고 지속적인 공급 문제로 인해 이해가 잘 되지 않습니다. 동물로부터 색소를 수확하는 것은 확장 가능하거나 효율적이지 않으며, 전통적인 실험실 방법은 노동 집약적이며 생산량이 낮은 화학적 합성에 의존합니다.

Scripps Oceanography의 Moore Lab 연구원들은 UC San Diego 전역의 동료들과 덴마크의 Novo Nordisk 재단 생물 지속 가능성 센터와 협력하여 “성장 결합 생합성”이라고 부르는 일종의 성장 피드백 루프인 솔루션을 설계하면서 이러한 상황을 바꾸려고 했습니다.

그들이 박테리아에서 화학물질인 문어 색소를 생명공학적으로 조작한 방식은 전형적인 생명공학적 접근 방식에서 새로운 출발을 나타냅니다. 그들의 접근 방식은 색소 생산과 색소를 만든 박테리아의 생존을 밀접하게 연결했습니다.

“우리는 이 문제를 해결하기 위해 완전히 새로운 접근 방식이 필요했습니다.”라고 이번 연구의 주요 저자이자 현재 스탠포드 대학교의 교수이자 이전에 스크립스 해양학의 무어 연구소에서 박사후 연구원으로 근무했던 레아 부신(Leah Bushin)은 말했습니다. “본질적으로 우리는 박테리아를 속여 우리가 필요한 물질을 더 많이 만들 수 있는 방법을 찾아냈습니다.”

일반적으로 연구자들이 미생물에서 외부 화합물을 생산하려고 하면 대사에 큰 부담이 발생합니다. 상당한 유전자 조작이 없으면 미생물은 필수 자원을 유용하여 익숙하지 않은 것을 생산하는 것을 거부합니다.

세포의 생존을 목표 화합물의 생산과 연결함으로써 팀은 미생물을 속여 크산토마틴을 생성할 수 있었습니다. 이를 위해 그들은 포름산이라는 두 번째 화학물질과 함께 원하는 색소를 모두 생산해야만 생존할 수 있는 유전자 조작된 “병든” 세포로 시작했습니다. 생성된 모든 색소 분자에 대해 세포는 또한 한 분자의 포름산을 생성했습니다. 포름산은 세포 성장을 위한 연료를 제공하여 색소 생산을 촉진하는 자립 루프를 생성합니다.

“우리는 관심 화합물을 만드는 이 경로를 통한 활동이 생명에 절대적으로 필수적이도록 만들었습니다. 유기체가 크산토마틴을 만들지 않으면 성장하지 않을 것입니다.”라고 Bushin은 말했습니다.

박테리아가 더 많은 색소를 만들도록 하기 위해 연구자들은 로봇 공학과 자동화에 눈을 돌렸습니다. 그들은 로봇 시스템을 사용하여 세포가 점차적으로 성능을 향상시킬 수 있도록 고안된 프로세스인 높은 처리량 적응형 실험실 진화의 두 라운드를 통해 미생물을 안내했습니다. 이 고급 방법은 UC 샌디에고 제이콥스 공과대학의 Shu Chien-Gene Lay 생명공학과 교수이자 Novo Nordisk 재단 생물지속가능성 센터의 선임 과학자인 연구 공동저자 Adam Feist의 연구실에 의해 개발되었습니다.

연구원들은 또한 Feist Lab의 전문 생물정보학 소프트웨어를 사용하여 미생물의 생산성을 높이는 유전적 변화를 찾아냈습니다. 이러한 주요 돌연변이를 통해 조작된 박테리아는 단일 영양원만을 사용하여 색소를 효율적으로 생산할 수 있었습니다.

Feist는 “이 프로젝트는 생물학이 첨단 자동화, 데이터 통합 ​​및 컴퓨터 기반 설계를 통해 귀중한 화합물과 재료의 지속 가능한 생산을 가능하게 하는 미래를 엿볼 수 있게 해줍니다.”라고 말했습니다. “여기서 우리는 가장 진보된 변형 엔지니어링 기술을 사용하여 엔지니어, 생물학자 및 화학자를 모아 상대적으로 짧은 시간에 새로운 제품을 개발하고 최적화함으로써 바이오제조 분야의 혁신을 가속화할 수 있는 방법을 보여줍니다.”

전통적인 접근 방식은 “운이 좋다면” 리터당 약 5mg의 색소를 생산하는 반면, 새로운 방법은 리터당 1~3g을 생산한다고 Bushin은 말했습니다.

계획 단계부터 실험실의 실제 실험까지 수년간의 헌신적인 작업이 필요했지만, 일단 계획이 실행되면 결과는 거의 즉각적으로 나타났습니다.

Bushin은 첫 번째 성공적인 실험을 회상하면서 “연구실에서 가장 좋은 날 중 하나였습니다.”라고 회상했습니다. “저는 실험을 준비하고 밤새도록 두었습니다. 다음날 아침에 와서 효과가 있다는 것을 깨달았습니다. 그리고 색소가 많이 생성되고 있어서 정말 기뻤어요. 그런 순간들이 내가 과학을 하는 이유다.”

다음 단계

무어는 자연에서 영감을 받아 비침습적인 이 새로운 생명공학 방법론이 생화학물질 생산 방식을 변화시킬 것으로 기대하고 있습니다.

“우리는 세포를 설계하는 방법에 대해 사람들이 생각하는 방식을 완전히 파괴했습니다.”라고 그는 말했습니다. “우리의 혁신적인 기술 접근 ​​방식은 생산 능력의 큰 도약을 촉발시켰습니다. 이 새로운 방법은 공급 문제를 해결하고 이제 이 생체 재료를 훨씬 더 광범위하게 사용할 수 있게 만들 수 있습니다.”

이 물질에 대한 일부 응용 분야는 아직 멀었지만 저자는 미국 국방부와 화장품 회사의 적극적인 관심을 언급했습니다. 연구원에 따르면, 공동 연구자들은 이 물질의 천연 위장 기능을 탐구하는 데 관심이 있고, 스킨케어 회사는 이 물질을 천연 자외선 차단제에 사용하는 데 관심이 있습니다. 다른 산업에서는 색상이 변하는 가정용 페인트부터 환경 센서에 이르기까지 다양한 용도로 사용될 수 있습니다.

무어는 “미래를 내다보면 인류는 지구상 80억 인구의 합성 생활 방식을 지원하기 위해 재료를 만드는 방법을 다시 생각하게 될 것”이라고 말했습니다. “연방 자금 덕분에 우리는 사람과 지구에 더 나은 자연에서 영감을 얻은 재료를 설계하기 위한 유망한 새로운 경로를 열었습니다.”

추가 연구 저자는 Novo Nordisk 재단 생물지속가능성 센터의 Tobias Alter, María Alván-Vargas, Daniel Volke, Òscar Puiggené 및 Pablo Nikel입니다. UC San Diego Shu Chien-Gene Lay 생명공학과의 Elina Olson; UC San Diego의 Scripps 해양학 연구소의 Lara Dürr와 Mariah Avila; Northeastern University의 김태환과 레일라 데라비(Leila Deravi).

비디오: 무인 자동차가 사상 처음으로 실제 경주용 자동차 운전자를 이겼습니다.

무인 자동차: 현재 기술이 어떻게 우리를 일로부터 해방시킬 수 있는지를 보여주는 또 다른 증거입니다.
무인 자동차는 곧 운송 산업에 극적인 영향을 미치고 수백만 명의 택시 및 트럭 운전사를 실업자로 만들 것으로 예상됩니다.
이 기사에서 볼 수 있듯이, 무인 자동차는 이미 최고의 운전자보다 성능이 뛰어납니다. 그들은 인간이 운전하는 것보다 도로에서 훨씬 더 안전할 것입니다.

또한 자동차를 소유할 필요도 없습니다. 차가 필요할 때 우리에게 올 것이다. 우리 모두는 최신 모델을 타고 다닐 것입니다. 하루 종일 사용하지 않고, 사용할 때마다 주차 공간이 필요하고, 관리가 필요한 자동차를 왜 소유해야 할까요?

보트와 비행기에는 이미 자동 조종 장치가 장착되어 있습니다. 곧 우리는 공항에 갈 필요가 없게 될 것입니다. 드론이 우리를 문앞까지 데리러 갈 것입니다.

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아무것도 소유할 필요가 없습니다. 우리가 필요할 때 모든 것을 무인 기계로 가져오고 필요하지 않을 때는 제거할 수 있습니다. 모든 것이 공유될 수 있었습니다. 우리가 전화하면 집으로 직접 오는 무인 세탁기로 더러운 세탁물을 가져오고, 세탁하고, 건조하고, 다림질할 수 있는데 세탁기를 소유할 이유가 무엇입니까?

우리가 무언가를 소유하면 그것을 보관할 장소를 찾아야 하고, 그것을 유지해야 하며, 그것은 빨리 쓸모 없게 됩니다. 내일 우리는 현지 작업장의 로봇이 제작하고 유지 관리하는 데 필요한 최신 장비를 무인 기계로 배송할 것입니다. 모든 것은 커뮤니티에서 소유하고 공유할 수 있습니다. 사실 우리가 정말로 원하는 것은 무언가를 소유하는 것이 아니라 그것에 쉽게 접근할 수 있는 것입니다.

무인 기계라는 새로운 기술이 바로 그 일을 해냅니다. 이를 통해 우리는 필요한 것에 쉽게 접근할 수 있습니다. 그리고 그것은 우리의 삶의 방식을 근본적으로 변화시킬 것입니다.
공유가 구매를 대체합니다. 소유권은 매우 번거롭고 비합리적이며 구식으로 보일 것입니다.
사실, 우리가 소유하는 것이 적을수록 우리는 더 자유로워집니다. 우리가 소유한 모든 것에는 약간의 보살핌이 필요합니다. 우리의 일을 돌보는 데는 우리의 시간과 에너지, 우리가 정말로 하고 싶은 일을 할 수 있는 자유가 앗아갑니다. 우리가 소유한 모든 것은 우리가 항상 끌고 다니는 작은 공과 사슬과 같습니다. 우리는 우리가 소유한 것에 의해 소유됩니다.

일과 돈이 없는 사회를 향한 또 다른 중요한 단계로서 무인 기계의 도래를 축하합시다.
해방 만세!

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이는 전 세계 탄소 배출량의 약 6%에 해당합니다.

이제 케임브리지 대학이 이끄는 팀은 이 중요한 산업을 궁극적으로 “탈화석화”할 수 있는 혁신적인 접근 방식을 탐구하고 있습니다.

그들의 혁신에는 빛을 흡수하는 유기 고분자와 박테리아 효소를 결합하여 햇빛, 물, 이산화탄소를 추가 화학 반응에 동력을 공급할 수 있는 청정 연료인 포름산염으로 변환하는 하이브리드 장치가 포함됩니다.

이 “반인공 잎”은 식물이 햇빛을 에너지로 바꾸는 데 사용하는 자연 과정인 광합성을 복제하고 전적으로 자체 전력으로 작동합니다. 독성 또는 불안정한 광 흡수제에 의존했던 이전 디자인과 달리 이 새로운 바이오하이브리드 모델은 무독성 재료를 사용하고 더 효율적으로 작동하며 추가 첨가제 없이 안정성을 유지합니다.

실험실 테스트에서 팀은 햇빛을 사용하여 이산화탄소를 포름산염으로 전환한 다음 이를 ‘도미노’ 반응에 직접 적용하여 의약품에 사용되는 귀중한 화합물을 합성하여 높은 수율과 순도를 모두 달성했습니다.

에 발표된 연구 결과에 따르면 줄이는 유기 반도체가 바이오 하이브리드 시스템에서 빛을 포착하는 구성 요소 역할을 하여 차세대 친환경 인공 잎의 길을 닦은 최초의 사례입니다.

화학 산업은 여전히 ​​세계 경제의 초석으로 남아 있으며 의약품, 비료부터 플라스틱, 페인트, 전자 제품, 세척제, 세면도구에 이르기까지 광범위한 제품을 생산합니다.

연구를 주도한 케임브리지 대학 화학과의 Erwin Reisner 교수는 “우리가 순환적이고 지속 가능한 경제를 구축하려면 화학 산업은 우리가 해결해야 할 크고 복잡한 문제입니다.”라고 말했습니다. “우리는 우리 모두에게 필요한 수많은 중요한 제품을 생산하는 이 중요한 부문의 화석을 제거할 수 있는 방법을 찾아야 합니다. 우리가 올바르게 할 수 있다면 이는 엄청난 기회입니다.”

Reisner의 연구 그룹은 화석 연료에 의존하지 않고 햇빛을 탄소 기반 연료 및 화학 물질로 바꾸는 인공 잎 개발을 전문으로 합니다. 그러나 초기 설계의 대부분은 빠르게 분해되거나 태양 스펙트럼의 대부분을 낭비하거나 납과 같은 독성 요소를 포함하는 합성 촉매 또는 무기 반도체에 의존합니다.

Reisner 연구실에서 박사 과정의 일환으로 연구를 완료한 공동 제1저자 Celine Yeung 박사는 “독성 성분을 제거하고 유기 원소를 사용하기 시작할 수 있다면 원치 않는 부작용 없이 깨끗한 화학 반응과 단일 최종 생성물을 얻을 수 있습니다”라고 말했습니다. “이 장치는 두 가지 장점을 모두 결합한 것입니다. 유기 반도체는 조정이 가능하고 무독성이며, 생체촉매는 매우 선택적이고 효율적입니다.”

새로운 장치는 황산염 환원 박테리아의 효소와 유기 반도체를 통합하여 물을 수소와 산소로 분리하거나 이산화탄소를 포름산염으로 변환합니다.

연구자들은 또한 오랜 과제를 해결했습니다. 즉, 대부분의 시스템에는 효소 작동을 유지하기 위해 완충제라고 알려진 화학 첨가제가 필요합니다. 이는 빠르게 분해되어 안정성을 제한할 수 있습니다. 연구진은 보조 효소인 탄산탈수효소를 다공성 티타니아 구조에 삽입함으로써 지속 불가능한 첨가물 없이 탄산수와 유사한 간단한 중탄산염 용액에서 시스템이 작동할 수 있도록 했습니다.

Reisner 연구실의 박사후 연구원이자 공동 제1저자인 Yongpeng Liu 박사는 “이것은 마치 큰 퍼즐과 같습니다.”라고 말했습니다. “우리는 단일 목적을 위해 함께 모으려고 노력해 온 다양한 구성 요소를 모두 가지고 있습니다. 이 특정 효소가 전극에 어떻게 고정되는지 알아내는 데 오랜 시간이 걸렸지만 이제 이러한 노력의 결실을 보기 시작했습니다.”

“효소가 어떻게 작동하는지 실제로 연구함으로써 우리는 샌드위치 같은 장치의 다양한 층을 구성하는 재료를 정확하게 설계할 수 있었습니다”라고 Yeung은 말했습니다. “이 디자인은 작은 나노 크기부터 전체 인공 잎에 이르기까지 부품이 더욱 효과적으로 함께 작동하도록 만들었습니다.”

테스트 결과 인공 잎은 높은 전류를 생성하고 전자를 연료 생성 반응으로 유도하는 데 있어 거의 완벽한 효율성을 달성한 것으로 나타났습니다. 이 장치는 24시간 이상 성공적으로 작동했습니다. 이는 이전 설계보다 두 배 이상 긴 시간입니다.

연구원들은 장치의 수명을 연장하고 다양한 유형의 화학 제품을 생산할 수 있도록 적용할 수 있도록 설계를 더욱 개발하기를 희망하고 있습니다.

Reisner는 “우리는 효율적이고 내구성이 있을 뿐만 아니라 독성이 있거나 지속 불가능한 구성 요소가 없는 태양열 구동 장치를 만드는 것이 가능하다는 것을 보여주었습니다.”라고 말했습니다. “이것은 미래에 친환경 연료와 화학 물질을 생산하기 위한 기본 플랫폼이 될 수 있습니다. 흥미롭고 중요한 화학을 수행할 수 있는 진정한 기회입니다.”

이 연구는 싱가포르 과학기술연구청(A*STAR), 유럽 연구 위원회, 스위스 국립 과학 재단, 왕립 공학 아카데미, 영국 연구 혁신(UKRI)의 일부 지원을 받았습니다. Erwin Reisner는 케임브리지 세인트 존스 칼리지의 펠로우입니다. Celine Yeung은 케임브리지 다우닝 칼리지의 회원입니다.

아일랜드 메이누스 대학교 화학과의 Eithne Dempsey 박사와 그녀의 전 박사 과정 학생인 Colm McKeever 박사는 총이 발사될 때 발생하는 강렬한 열에 노출된 후에도 황동 케이스에 지문이 나타나는 새로운 전기화학 공정을 설계했습니다.

오랫동안 지속되어 온 법의학 문제 해결

수십 년 동안 법의학 전문가들은 총기나 탄약에서 지문을 채취하는 데 어려움을 겪었습니다. 총격 중에 발생하는 극한의 온도, 가스 및 마찰은 일반적으로 생물학적 잔류물을 파괴합니다. 이 때문에 많은 범죄자들은 ​​발사된 무기와 탄피가 범죄 현장과 연결될 수 없다는 가정에 의존해 왔습니다.

“법의학 수사에서 성배는 항상 발사된 탄약통에서 지문을 검색하는 것이었습니다.”라고 Dempsey 박사는 말했습니다. “전통적으로 강렬한 발사열은 생물학적 잔류물을 모두 파괴합니다. 그러나 우리의 기술은 그렇지 않으면 감지할 수 없는 지문 능선을 드러낼 수 있었습니다.”

연구팀은 특별히 선택된 재료의 얇은 층으로 황동 케이스를 코팅하면 숨겨진 지문 능선이 노출될 수 있음을 발견했습니다. 기존의 많은 법의학 방법과 달리 이 접근 방식은 독성 화학 물질이나 고가의 고성능 장비에 의존하지 않습니다. 대신, 환경 친화적인 폴리머를 사용하고 에너지가 거의 필요하지 않아 몇 초 만에 선명한 지문 이미지를 생성할 수 있습니다.

이 공정은 화학 용액으로 채워진 전기화학 셀 내부에 황동 케이스를 배치하여 작동합니다. 낮은 전압이 가해지면 화학물질이 표면을 향해 끌어당겨 지문 융선 사이의 작은 틈을 메우고 선명한 고대비 이미지를 형성합니다. 결과는 거의 즉시 나타납니다.

McKeever 박사는 “케이싱 표면에 남아 있는 탄 물질을 스텐실로 사용하여 틈새 사이에 특정 물질을 배치하여 시각화할 수 있습니다.”라고 말했습니다.

지속적인 결과와 새로운 조사 가능성

테스트 결과, 이 기술은 최대 16개월까지 숙성된 샘플에도 효과가 있어 놀라운 내구성을 입증한 것으로 나타났습니다.

이 연구는 총을 발사하면 케이스에 남아있는 지문이 제거된다는 현재 가정이 있는 범죄 수사에 중요한 의미를 갖습니다.

McKeever 박사는 “현재 탄약 탄피에 대한 법의학 분석의 가장 좋은 사례는 탄피를 발사한 총과 일치시키는 것입니다.”라고 말했습니다. “그러나 우리는 이와 같은 방법이 총을 장전한 실제 사람과 일치할 수 있기를 바랍니다.”

팀은 특히 전통적으로 지문 감지에 저항성이 있고 전 세계적으로 사용되는 가장 일반적인 유형의 재료인 황동 탄약 케이스에 중점을 두었습니다.

연구원들은 자신들이 개발한 황동의 지문 테스트가 다른 금속 표면에도 적용되어 총기 관련 범죄에서 방화에 이르기까지 잠재적인 법의학 응용 범위를 확장할 수 있다고 믿습니다.

이 기술은 전압을 제어하고 휴대폰만큼 휴대할 수 있는 전위차계(potentiostat)라는 장치를 사용하여 소형 포렌식 테스트 키트를 만드는 것이 가능합니다.

McKeever 박사는 “이 방법을 사용하여 탄약 케이스를 전극으로 전환하여 케이스 표면에서 화학 반응을 일으킬 수 있게 되었습니다.”라고 말했습니다.

실제 사용을 향하여

초기 결과는 유망하지만 새로운 지문 복구 방법은 전 세계 법 집행 기관에서 사용되기 전에 추가 테스트와 검증이 필요합니다. Research Ireland와 Maynooth University가 지원하는 이 프로젝트는 최근 주요 법의학 저널에 게재되었으며 글로벌 치안 및 범죄 수사를 위한 중요한 진전을 나타냅니다.

그래핀은 오랫동안 HHG 연구의 유망한 후보였지만 완벽한 대칭으로 인해 원래 광원의 홀수 배수인 주파수인 홀수 고조파만 생성할 수 있었습니다. 이 기술의 실용화에 필수적인 고조파조차 달성하기가 훨씬 어려웠습니다.

양자 재료가 장벽을 허물다

최근에 발표된 연구에서는 빛: 과학 및 응용Miriam Serena Vitiello 교수가 이끄는 연구 그룹은 광학 과학 분야에서 큰 발전을 이루었습니다. 연구팀은 이국적인 양자 물질을 사용하여 HHG를 전자기 스펙트럼의 새롭고 이전에는 도달할 수 없었던 부분으로 성공적으로 확장했습니다.

그들의 연구는 내부에서 전기 절연체 역할을 하지만 표면을 따라 전기를 전도하는 특별한 종류의 재료인 위상 절연체(TI)에 중점을 두고 있습니다. 이러한 물질은 강한 스핀-궤도 결합 및 시간 반전 대칭으로 인해 특이한 양자 거동을 나타냅니다. 과학자들은 TI가 고급 형태의 고조파 생성을 지원할 수 있다고 예측했지만 아직까지 이를 실험적으로 입증한 사람은 없었습니다.

양자 나노구조로 빛 증폭

연구진은 분할 링 공진기라고 불리는 특수 나노 구조를 설계하고 이를 Bi2Se₃의 얇은 층과 (InₓBi₁₋ₓ)2Se₃로 만든 반 데르 발스 이종 구조와 통합했습니다. 이 공진기는 들어오는 빛을 크게 강화하여 팀이 짝수 THz 주파수와 홀수 THz 주파수 모두에서 HHG를 관찰할 수 있게 해 주었는데, 이는 탁월한 성과입니다.

그들은 6.4THz(짝수)와 9.7THz(홀수) 사이의 주파수 상향 변환을 기록하여 토폴로지 재료의 대칭 내부와 비대칭 표면이 빛 생성에 어떻게 기여하는지 밝혀냈습니다. 이 결과는 토폴로지 효과가 THz 범위에서 고조파 동작을 어떻게 형성할 수 있는지에 대한 최초의 명확한 시연 중 하나를 나타냅니다.

차세대 테라헤르츠 기술을 향하여

이 실험적 성과는 오랜 이론적 예측을 검증할 뿐만 아니라 소형 테라헤르츠 광원, 센서 및 초고속 광전자 부품 개발을 위한 새로운 기반을 구축합니다. 이는 연구원들에게 나노 규모에서 대칭, 양자 상태 및 가벼운 물질 상호 작용 간의 복잡한 상호 작용을 연구하는 새로운 방법을 제공합니다.

업계가 계속해서 더 작고, 더 빠르고, 더 효율적인 장치를 요구함에 따라 이러한 발전은 실제 혁신을 주도할 양자 재료의 잠재력이 커지고 있음을 강조합니다. 이번 발견은 또한 광학적 방법으로 구동되는 작고 조정 가능한 테라헤르츠 광원의 생성을 가리키며, 이는 고속 통신, 의료 영상 및 양자 컴퓨팅 분야의 기술을 재편할 수 있는 발전입니다.

메릴랜드 대학과 코넬 대학의 연구원들이 주도한 이번 연구는 지구에서 400광년 떨어진 곳에 위치한 “초고온 목성”으로 분류되는 거대한 가스 거인 WASP-18b의 온도를 차트로 표시합니다. 팀은 분광학 일식 매핑이라고도 하는 3D 일식 매핑이라는 방법을 적용했는데, 이 기술이 전체 3D 온도 지도를 구축하는 데 처음으로 사용된 것입니다. 이 작업은 NASA의 제임스 웹 우주 망원경(JWST)의 매우 민감한 관측을 사용하여 2023년에 그룹이 발표한 2D 일식 지도에서 확장됩니다.

“이 기술은 위도, 경도, 고도 등 세 가지 차원을 동시에 조사할 수 있는 유일한 기술입니다.”라고 UMD의 천문학 조교수이자 논문 공동 저자인 Megan Weiner Mansfield가 말했습니다. “이것은 우리가 천체를 연구하는 데 필요한 것보다 더 높은 수준의 세부 정보를 제공합니다.”

이 접근 방식을 통해 과학자들은 한때 지상 망원경이 목성의 대적점과 줄무늬 구름을 기록했던 것처럼 JWST로 관찰할 수 있는 많은 외계 행성의 대기 차이를 차트로 작성할 수 있습니다.

“일식 매핑을 사용하면 호스트 별이 너무 밝아서 직접 볼 수 없는 외계 행성의 이미지를 얻을 수 있습니다.”라고 코넬 대학 천문학과의 박사후 연구원인 Ryan Challener가 말했습니다. “이 망원경과 이 새로운 기술을 통해 우리는 태양계 이웃과 동일한 선상에 있는 외계 행성을 이해하기 시작할 수 있습니다.”

외계행성을 발견하는 것은 일반적으로 별보다 훨씬 어둡고 종종 전체 빛의 1% 미만을 기여하기 때문에 어렵습니다. 일식 매핑은 행성이 별 뒤로 움직일 때 빛의 작은 변화를 측정하여 다른 영역을 교대로 숨기고 드러냅니다. 이러한 작은 밝기 변화를 지구상의 특정 위치에 연결하고 이를 여러 색상으로 분석함으로써 과학자들은 위도, 경도 및 고도에 걸쳐 온도를 재구성할 수 있습니다.

WASP-18b는 목성 10배 정도의 질량을 갖고 있으며 단 23시간 만에 궤도를 완료하고 화씨 5,000도 근처의 온도에 도달하기 때문에 이 테스트에 매우 적합합니다. 이러한 속성은 새로운 매핑 방법에 대해 비교적 강력한 신호를 제공합니다.

팀의 초기 2D 지도는 단일 색상의 빛을 사용했습니다. 3D 버전의 경우 NIRISS(Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph)의 동일한 JWST 데이터를 다양한 파장에 걸쳐 재분석했습니다. 각 색상은 WASP-18b 대기의 다양한 층을 조사하며 특정 온도와 고도에 해당합니다. 이러한 레이어를 결합하면 상세한 3차원 온도 구조가 생성됩니다.

Challener는 “물이 흡수하는 파장에서 지도를 만들면 대기의 물 데크를 볼 수 있는 반면, 물이 흡수하지 않는 파장은 더 깊은 곳을 탐색하게 됩니다.”라고 Challener는 설명했습니다. “이것을 합치면 이 대기의 온도에 대한 3D 지도를 얻을 수 있습니다.”

3D 분석은 행성이 조석 고정되어 있기 때문에 항상 별을 향하고 있는 행성의 영구 주간 면에서 분광학적으로 구별되는 영역을 식별합니다. 원형 열점은 별의 빛이 가장 직접적으로 닿는 곳에 위치하며, 바람이 너무 약해 열을 효율적으로 퍼뜨리는 것처럼 보입니다. 더 차가운 고리가 행성 가장자리 근처의 뜨거운 중심을 둘러싸고 있습니다. 측정 결과는 또한 행성 평균과 비교하여 핫스팟 내의 수증기가 감소한 것으로 나타났습니다.

Weiner Mansfield는 “우리는 인구 수준에서 이런 일이 일어나는 것을 보았습니다. 물이 있는 더 차가운 행성과 물이 없는 더 뜨거운 행성을 볼 수 있습니다”라고 Weiner Mansfield는 설명했습니다. “그러나 이것이 하나의 행성에 걸쳐 부서지는 것을 본 것은 이번이 처음입니다. 그것은 하나의 대기이지만 물이 있는 더 차가운 지역과 물이 부서지는 더 뜨거운 지역을 볼 수 있습니다. 그것은 이론으로 예측되었지만 실제 관찰을 통해 실제로 이것을 보는 것은 정말 흥미롭습니다.”

추가 JWST 관측을 통해 향후 3D 일식 지도의 공간 세부정보를 더욱 선명하게 만들 수 있습니다. Weiner Mansfield는 이 방법이 확인된 6,000개 이상의 외계 행성 중 수백 개에 달하는 많은 “뜨거운 목성”을 연구할 수 있는 새로운 기회를 열어준다고 언급했습니다. 그녀는 또한 WASP-18b와 같은 거대 가스 행성을 넘어 더 작고 바위가 많은 세계에 3D 일식 매핑을 적용하는 것을 목표로 하고 있습니다.

맨스필드는 “다른 행성의 온도를 이렇게 자세하게 보고 지도로 그릴 수 있는 도구를 갖게 된 것은 매우 흥미롭다. 이를 통해 우리는 다른 유형의 외계행성에서도 이 기술을 사용할 수 있게 됐다. 예를 들어 행성에 대기가 없는 경우에도 이 기술을 사용하여 표면 자체의 온도를 지도로 그려 그 구성을 이해할 수 있다”고 말했다. “WASP-18b는 더 예측 가능했지만 이전에는 전혀 예상하지 못했던 것들을 볼 수 있는 기회를 갖게 될 것이라고 믿습니다.”

이 연구는 James Webb Space Telescope의 Transiting Exoplanet Community Early Release Science Program의 지원을 받았습니다.