블로그

인간은 놀라울 정도로 쉽게 새로운 상황과 정보에 적응할 수 있습니다. 익숙하지 않은 컴퓨터 소프트웨어를 배우고, 새로운 방법을 시도하고, 새로운 게임의 규칙을 알아내는 것은 사람들에게 종종 빠르게 일어나는 반면, AI 시스템은 일반적으로 실시간으로 적응하고 “즉시” 효과적으로 학습하는 데 어려움을 겪습니다.

새로운 연구에서 프린스턴 대학의 신경과학자들은 이러한 차이에 대한 한 가지 주요 이유를 확인했습니다. 인간의 두뇌는 다양한 상황에서 동일한 인지 “블록”을 반복적으로 재사용하여 이를 결합하고 재결합하여 새로운 행동 패턴을 형성합니다.

이번 연구의 수석 저자이자 프린스턴 신경과학 연구소 부소장인 Tim Buschman 박사는 “최첨단 AI 모델은 개별 작업에 대해 인간 또는 심지어 초인적인 성능에 도달할 수 있습니다. 그러나 다양한 작업을 배우고 수행하는 데 어려움을 겪습니다.”라고 말했습니다. “우리는 뇌가 다양한 작업에서 인지 구성 요소를 재사용할 수 있기 때문에 유연성이 있다는 것을 발견했습니다. 이러한 ‘인지 레고’를 함께 연결함으로써 뇌는 새로운 작업을 구축할 수 있습니다.”

이 연구는 11월 26일 저널에 게재되었습니다. 자연.

구성성: 새로운 상황에서 기술을 재사용

자전거 튜닝 방법을 이미 알고 있는 사람이라면 오토바이 수리 방법을 배우는 것이 더 간단하게 느껴질 수 있습니다. 관련 경험을 통해 얻은 단순하고 친숙한 기술을 바탕으로 새로운 기술을 구축하는 능력을 구성성이라고 합니다.

“빵을 굽는 방법을 이미 알고 있다면 처음부터 굽는 방법을 다시 배우지 않고도 이 능력을 사용하여 케이크를 굽을 수 있습니다”라고 프린스턴 부쉬먼 연구실의 박사후 연구원이자 새로운 연구의 주저자인 시나 타파졸리(Sina Tafazoli) 박사는 말했습니다. “오븐 사용, 재료 측정, 반죽 반죽 등 기존 기술을 재활용하고 반죽 휘젓기, 프로스팅 만들기 등의 새로운 기술과 결합하여 완전히 다른 것을 만들 수 있습니다.”

지금까지 뇌가 이러한 종류의 유연하고 구성적인 사고를 정확히 어떻게 지원하는지에 대한 증거는 제한적이었고 때로는 상충되기도 했습니다.

더 명확한 그림을 얻기 위해 Tafazoli는 수컷 붉은털원숭이 두 마리에게 두뇌 활동을 기록하면서 세 가지 관련 작업을 수행하도록 훈련시켰습니다.

시각적 분류 작업으로 유연성 테스트

빵 굽기나 자전거 수리 같은 실제 직업 대신 동물들에게 세 가지 시각적 분류 작업을 수행하도록 요청했습니다. 화면에서 그들은 일련의 다채로운 풍선 모양의 덩어리를 보았습니다. 그들의 임무는 각 얼룩이 토끼처럼 보이는지 또는 문자 “T”(모양 분류)처럼 보이는지 또는 더 빨간색으로 보이는지 또는 더 녹색으로 보이는지(색상 분류) 결정하는 것이었습니다.

도전은 생각보다 어려웠습니다. 얼룩은 차이점이 얼마나 명확한지에 따라 다양했습니다. 일부 이미지는 확실히 토끼와 비슷하거나 선명한 빨간색인 반면, 다른 이미지는 모호하여 카테고리를 구분하기 위해 신중한 판단이 필요했습니다.

모양이나 색상에 대한 결정을 보고하기 위해 각 원숭이는 화면의 네 가지 방향 중 하나를 보면서 답을 표시했습니다. 예를 들어, 작업의 한 버전에서 왼쪽을 보는 것은 동물이 얼룩이 토끼라고 판단하는 것을 의미하고 오른쪽을 보는 것은 그것이 “T”처럼 보인다는 신호를 나타냅니다.

실험의 중요한 부분은 각 작업마다 고유한 특정 규칙이 있으면서도 여전히 주요 구성 요소를 다른 작업과 공유한다는 것입니다.

색상 작업 중 하나와 모양 작업에서는 동물들이 자신의 선택을 나타내기 위해 동일한 방향을 보도록 요구했으며, 두 색상 작업 모두 원숭이에게 색상을 동일한 방식(빨간색 또는 녹색)으로 분류하되 색상 판단 신호를 보낼 때(색상 분류) 다른 방향을 보도록 요청했습니다.

이 설계를 통해 연구원들은 작업이 특정 기능을 공유할 때마다 뇌가 동일한 신경 패턴 또는 인지 구성 요소를 재사용하는지 여부를 확인할 수 있었습니다.

재사용 가능한 인지 블록의 허브인 전두엽 피질

뇌 활동 패턴을 조사한 후 Tafazoli와 Buschman은 높은 수준의 사고와 의사 결정에 관여하는 뇌 앞부분인 전두엽 피질에 몇 가지 반복되는 활동 패턴이 포함되어 있음을 발견했습니다. 이러한 패턴은 뉴런 그룹이 색상 구별과 같은 공통 목표를 위해 함께 작동할 때마다 나타났습니다.

Buschman은 이러한 패턴을 뇌의 “인지 레고”라고 불렀습니다. 이는 유연하게 결합되어 다양한 행동을 생성할 수 있는 빌딩 블록 세트입니다.

Buschman은 “나는 컴퓨터 프로그램의 기능과 같은 인지 블록을 생각합니다”라고 말했습니다. “한 세트의 뉴런은 색상을 구별할 수 있으며 그 출력은 행동을 유도하는 다른 기능에 매핑될 수 있습니다. 이러한 조직은 해당 작업의 각 구성 요소를 순차적으로 수행하여 뇌가 작업을 수행할 수 있도록 합니다.”

예를 들어, 색상 작업 중 하나의 경우 뇌는 이미지의 색상을 결정하는 블록과 눈의 움직임을 특정 방향으로 안내하는 또 다른 블록을 조립합니다. 동물이 유사한 눈 움직임을 사용하면서 색상 대신 모양을 판단하는 등 다른 작업으로 전환하면 뇌는 동일한 눈 움직임에 대한 블록과 함께 모양 처리를 위한 블록을 활성화했습니다.

이러한 블록 공유는 주로 전두엽 피질에서 나타났으며 다른 뇌 영역에서는 같은 정도로 나타나지 않았습니다. 이번 발견은 이러한 유형의 구성성이 전두엽 피질의 독특한 특징일 수 있음을 시사합니다.

초점을 선명하게 하기 위해 블록을 켜고 끄기

Tafazoli와 Buschman은 또한 전두엽 피질이 필요하지 않을 때 특정 인지 블록을 조용하게 하는 것처럼 보인다는 사실도 관찰했습니다. 이는 뇌가 주어진 순간에 가장 관련성이 높은 작업에 집중하는 데 도움이 될 것입니다.

Tafazoli는 “뇌의 인지 조절 능력은 제한되어 있습니다.”라고 말했습니다. “현재 중요한 기능에 집중할 수 있도록 일부 능력을 압축해야 합니다. 예를 들어 모양 분류에 초점을 맞추면 목표가 색상이 아니라 모양 식별이기 때문에 색상을 인코딩하는 능력이 일시적으로 감소합니다.”

다양한 블록을 선택적으로 활성화하고 억제함으로써 뇌는 과부하를 피하고 현재 목표에 초점을 맞춘 성능을 유지할 수 있습니다.

인지 레고, AI 및 정신 건강

이러한 인지 레고는 왜 사람들이 종종 새로운 작업을 그토록 빠르게 선택할 수 있는지 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다. 뇌는 항상 처음부터 시작할 필요는 없습니다. 대신 기존의 정신 구성 요소를 활용하고 이를 재결합하며 현재 AI 시스템에는 일반적으로 부족한 전략인 작업 중복을 피할 수 있습니다.

Tafazoli는 “머신러닝의 주요 문제는 치명적인 간섭입니다.”라고 말했습니다. “기계나 신경망이 새로운 것을 학습하면 이전 기억을 잊어버리고 덮어씁니다. 인공 신경망이 케이크 굽는 방법을 알지만 쿠키 굽는 법을 배우면 케이크 굽는 방법을 잊어버리게 됩니다.”

AI에 구성성을 통합하면 결국 인공 시스템의 학습이 더욱 인간과 유사해지며, 오래된 기술을 삭제하지 않고도 시간이 지남에 따라 새로운 기술을 습득할 수 있습니다.

동일한 원칙이 의학에도 영향을 미칠 수 있습니다. 정신분열증, 강박 장애, 일부 형태의 뇌 손상을 포함한 많은 신경학적, 정신적 질환으로 인해 사람들이 새로운 상황에서 기존 기술을 적용하는 것이 어려울 수 있습니다. 이러한 문제는 뇌가 인지 구성 요소를 더 이상 원활하게 재결합할 수 없을 때 발생할 수 있습니다.

Tafazoli는 “사람들이 전략을 바꾸고, 새로운 루틴을 배우거나, 변화에 적응하는 능력을 회복하도록 도울 수 있다고 상상해 보십시오.”라고 말했습니다. “장기적으로 뇌가 지식을 어떻게 재사용하고 재결합하는지 이해하면 해당 과정을 복원하는 치료법을 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다.”

연구 자금은 국립 보건원(R01MH129492, 5T32MH065214)에서 제공되었습니다.

브라운슈바이크, 브레멘, 프리부르 팀과 협력하여 괴팅겐 대학이 주도한 새로운 연구에서는 그래핀이 훨씬 더 많은 기능을 수행할 수 있음을 보여줍니다. 처음으로 과학자들은 그래핀에서 “Floquet 효과”를 직접 관찰했습니다. 이 발견은 오랜 과학적 질문을 해결합니다. 광 펄스가 물질의 특성을 정확하게 수정하는 기술인 Floquet 공학은 그래핀과 같은 금속 및 반금속 양자 물질에서도 기능할 수 있습니다. 이 연구는 자연물리학.

그래핀의 플로케(Floquet) 상태에 대한 직접적인 증거

이러한 효과를 조사하기 위해 팀은 연구원들이 전자 동작의 매우 빠른 변화를 포착할 수 있는 방법인 펨토초 운동량 현미경을 사용했습니다. 그래핀 샘플은 빠른 빛의 폭발로 조명된 다음 지연된 펄스로 검사되어 초단시간 동안 전자가 어떻게 반응하는지 추적했습니다.

이번 연구의 제1저자인 괴팅겐 대학의 마르코 머볼트(Marco Merboldt) 박사는 “우리의 측정은 그래핀의 광전자 방출 스펙트럼에서 ‘플로케 효과’가 발생한다는 것을 명확하게 입증했습니다. “이것은 Floquet 엔지니어링이 실제로 이러한 시스템에서 작동한다는 것을 분명히 하며, 이 발견의 잠재력은 엄청납니다.” 그들의 결과는 Floquet 엔지니어링이 광범위한 재료에 효과적이라는 것을 보여줍니다. 이를 통해 과학자들은 매우 짧은 간격 내에 레이저 펄스를 사용하여 특정 특성을 가진 양자 물질을 형성하는 능력에 더 가까워졌습니다.

미래 기술을 위한 광 제어 양자 소재

이러한 정밀도로 재료를 조정할 수 있으면 미래의 전자 제품, 컴퓨터 및 첨단 센서의 토대가 마련될 수 있습니다. 괴팅겐에서 스테판 마티아스(Stefan Mathias) 교수와 함께 이 프로젝트를 주도한 마르셀 로이첼(Marcel Reutzel) 교수는 다음과 같이 설명합니다. “우리의 결과는 빛으로 양자 물질의 전자 상태를 제어하는 ​​새로운 방법을 열었습니다. 이는 전자가 표적화되고 제어된 방식으로 조작되는 기술로 이어질 수 있습니다.”

Reutzel은 계속해서 다음과 같이 말합니다. “특히 흥미로운 점은 이를 통해 토폴로지 특성을 조사할 수 있다는 것입니다. 이는 신뢰할 수 있는 양자 컴퓨터 또는 미래를 위한 새로운 센서를 개발할 수 있는 큰 잠재력을 갖는 특별하고 매우 안정적인 특성입니다.”

이번 연구는 괴팅겐대학교 공동연구센터 ‘원자 규모에서의 에너지 변환 제어’를 통해 독일연구재단(DFG)의 지원을 받았습니다.

이러한 효과를 조사하기 위해 연구자들은 잘 알려진 축구와 유사한 분자인 “Buckminsterfullerene” C60에 눈을 돌렸습니다. 하이델베르그의 막스 플랑크 핵 물리학 연구소(MPIK)와 드레스덴의 막스 플랑크 복잡계 물리학 연구소(MPI-PKS)의 팀은 베를린의 막스 보른 연구소(MBI)의 협력자들과 스위스, 미국, 일본의 그룹과 협력하여 C60을 실험적으로, 이론적으로 연구했습니다. SLAC 국립 가속기 연구소(National Accelerator Laboratory)의 LCLS(Linac Coherent Light Source)에서의 실험은 강력한 레이저 장에 노출되었을 때 C60이 어떻게 반응하는지에 대한 최초의 직접적인 이미지를 생성했습니다.

X선 회절이 분자 변화에 대해 밝혀주는 것

강한 적외선(IR) 레이저 펄스에 대한 분자의 반응을 해석하기 위해 연구팀은 결과적인 X선 회절 패턴을 분석했습니다. 이 패턴에서 그들은 두 가지 주요 매개변수, 즉 (평균) 반경을 추출했습니다. 아르 자형 분자와 Guinier 진폭의 에이. Guinier 진폭은 X선 산란 신호의 강도를 반영하며 N에 따라 달라집니다.²는 산란 중심 역할을 하는 원자의 제곱(유효) 수입니다. 하는 동안 아르 자형 분자와 그 단편의 팽창이나 변형을 추적합니다. 에이 결과 조각의 크기를 포함하여 조각화에 대한 통찰력을 제공합니다.

낮은 강도에서 분자는 눈에 띄는 조각화가 시작되기 전에 먼저 확장되며, 이는 Guinier 진폭이 지연되고 완만하게 감소하는 것으로 반영됩니다. 중간 강도에서는 확장 단계 이후 X선 이미지에서 관찰되는 반경이 감소합니다. 이 변화는 더 작은 조각으로부터의 산란을 나타내며 Guinier 진폭의 약간 지연된 하락과 일치하여 많은 분자가 이미 분해되었음을 확인합니다.

가장 높은 레이저 출력에서 ​​빠른 전자 손실

가장 높은 강도에서 분자는 빠르게 팽창하는 반면, 강한 레이저 펄스의 시작 부분에서는 Guinier 진폭이 떨어집니다. 이러한 갑작스러운 변화는 거의 모든 외부 원자가(결합) 전자가 상호작용 초기에 제거된다는 것을 보여줍니다. 모델 계산은 이러한 빠르고 강력한 반응을 재현하여 분자가 레이저 장에서 격렬한 “킥”을 경험한다는 아이디어를 뒷받침합니다.

낮은 강도와 ​​중간 강도의 경우 이론적 모델은 실험 동작의 일부만 포착합니다. 모델은 분자의 주기적인 “호흡” 운동(동영상 참조)으로 인해 발생하는 반경과 진폭 모두의 진동을 예측하지만 측정된 데이터에는 이 운동이 전혀 없습니다. 과학자들이 원자 위치에 영향을 미치는 초고속 가열 메커니즘을 추가했을 때 수정된 모델은 실험과 더욱 밀접하게 일치했습니다. 이 결과는 분자가 강렬한 레이저 장에 어떻게 반응하는지 정확하게 설명하기 위해서는 실험적, 이론적 작업이 계속되어야 함을 보여줍니다.

이러한 복잡한 시스템에서는 완전한 양자 역학적 처리가 아직 불가능하기 때문에 강력한 레이저 노출 하에서 여러 전자가 어떻게 이동하는지 이해하는 것은 여전히 ​​어렵습니다. C60에서 촬영한 것과 같은 X선 영상은 점점 더 크고 복잡해지는 분자에서 기본적인 양자 과정을 탐구하기 위한 중요한 테스트 기반을 제공합니다. 이러한 통찰력은 정밀하게 형성된 레이저 필드를 사용하여 화학 반응을 유도하려는 장기적인 노력을 지원합니다.

뉴캐슬 대학교와 버밍엄 대학교의 과학자들은 테플론(PTFE)을 재활용하기 위한 깨끗하고 에너지 절약적인 프로세스를 만들었습니다. 테플론은 붙지 않는 조리기구와 고온 및 가혹한 화학 물질을 견뎌야 하는 제품에서 역할을 하는 것으로 널리 알려져 있습니다.

연구팀은 버려진 테플론을 실온에서 독성 용매 없이 나트륨 금속과 흔들어서 기계적 움직임만으로 분해하고 재사용할 수 있다는 사실을 발견했습니다.

그들의 연구는 미국화학회지(JACS)표준 불소 회수 기술에 대한 저에너지 및 폐기물 없는 대안을 설명합니다.

유용한 불화물을 회수하기 위해 탄소-불소 결합을 깨뜨림

뉴캐슬 대학교 화학 강사이자 교신 저자인 Roly Armstrong 박사는 다음과 같이 말했습니다: “우리가 발견한 공정은 테플론의 강한 탄소-불소 결합을 깨뜨려 이를 불소 치약에 사용되고 식수에 첨가되는 불화 나트륨으로 전환시킵니다.

“매년 전 세계적으로 수십만 톤의 테플론이 생산됩니다. 테플론은 윤활유부터 조리기구 코팅까지 모든 분야에 사용되며 현재 이를 제거할 수 있는 방법은 거의 없습니다. 이러한 제품의 수명이 다해 버리면 현재 매립지에 버려집니다. 하지만 이 공정을 통해 불소를 추출하여 유용한 신소재로 업사이클할 수 있습니다.”

버밍엄 대학교 부교수 Dr. Erli Lu는 다음과 같이 덧붙였습니다. “불소는 현대 생활의 필수 요소입니다. 모든 신약의 약 3분의 1과 많은 첨단 재료에서 발견됩니다. 그러나 불소는 전통적으로 에너지 집약적이고 심하게 오염된 채광 및 화학 공정을 통해 얻어집니다. 우리의 방법은 일상 폐기물에서 불소를 회수하고 직접 재사용할 수 있음을 보여줍니다. 이를 통해 폐기 문제를 자원 기회로 전환할 수 있습니다.”

PTFE 재활용이 어려운 이유

테플론이라고도 불리는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 열과 화학물질에 대한 저항성이 뛰어나 조리기구, 전자제품, 실험실 도구의 핵심 소재로 사용됩니다. 그러나 이러한 동일한 장점으로 인해 재활용이 극도로 어려워졌습니다.

PTFE가 연소되거나 소각되면 ‘영원한 화학물질'(PFAS)로 알려진 잔류 오염물질이 방출되어 수십 년 동안 생태계에 남아 있습니다. 결과적으로 전통적인 폐기 방법은 환경 및 공중 보건에 심각한 위험을 초래합니다.

기계화학은 보다 깨끗한 발전 경로를 제공합니다

이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 기계적 힘이 고열이 아닌 화학 반응을 일으키는 지속 가능한 접근 방식인 기계화학을 사용했습니다.

볼밀이라고 불리는 밀봉된 강철 용기 안에 작은 나트륨 금속 조각이 테프론과 함께 분쇄됩니다. 이렇게 분쇄하면 재료가 실온에서 반응하여 테플론 내의 탄소-불소 결합이 파괴되고 불소 치약에 널리 사용되는 안정한 염인 불화나트륨과 함께 무해한 탄소가 생성됩니다.

또한 연구팀은 이 방법을 통해 생성된 불화나트륨을 별도의 정제 과정 없이 즉시 사용하여 의약품, 진단 도구, 특수 화학물질에 사용되는 다른 귀중한 불소 함유 화합물을 합성할 수 있음을 입증했습니다.

고급 NMR 분석으로 깨끗한 반응 확인

버밍엄 대학의 고체 핵자기공명(NMR) 팀을 이끄는 부교수인 Dominik Kubicki 박사는 다음과 같이 설명했습니다. “우리는 버밍엄의 전문 기술 중 하나인 고급 고체 NMR 분광법을 사용하여 원자 수준에서 반응 혼합물 내부를 관찰했습니다. 이를 통해 공정이 부산물 없이 깨끗한 불화나트륨을 생성한다는 것을 증명할 수 있었습니다. 이는 최첨단 재료 특성화가 어떻게 진행을 가속화할 수 있는지 보여주는 완벽한 예입니다. 지속가능성을 향해.”

순환형 불소 경제를 향하여

이번 발견은 불소가 폐기 과정에서 손실되는 대신 산업 폐기물에서 회수될 수 있는 순환 시스템을 가리킵니다. 이러한 모델은 의학, 전자 및 재생 에너지 시스템에서 필수적인 역할을 하는 불소 기반 화학 물질이 환경에 미치는 영향을 크게 줄일 수 있습니다.

Lu 박사는 “우리의 접근 방식은 간단하고 빠르며 저렴한 재료를 사용합니다.”라고 말했습니다. “우리는 이것이 다른 종류의 불소화 폐기물 재사용에 대한 추가 연구에 영감을 주고 중요한 불소 함유 화합물의 생산을 보다 지속 가능하게 만드는 데 도움이 되기를 바랍니다.”

이 연구는 또한 녹색 화학에서 기계화학의 역할이 확대되고 있음을 강조합니다. 이 신흥 분야는 고온 또는 용매가 많이 사용되는 반응을 기계적 동작으로 대체하여 지속 가능한 혁신을 위한 새로운 기회를 열어줍니다.

Kubicki 박사는 다음과 같이 덧붙였습니다. “이 연구는 재료 화학과 첨단 분광학을 결합한 학제간 과학이 어떻게 가장 지속성 있는 플라스틱 중 하나를 다시 유용한 것으로 바꿀 수 있는지를 보여줍니다. 이는 지속 가능한 불소 화학을 향한 작지만 중요한 단계입니다.”

빛의 속도에 가깝게 움직이는 고에너지 입자인 우주선(Cosmic Ray)은 은하수 내부와 우주의 더 먼 지역에서 도착하는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 그들의 구체적인 기원 지점은 1912년 발견 이후 불분명한 상태로 남아 있습니다. MSU의 물리학 및 천문학 조교수인 Shuo Zhang과 그녀의 연구팀은 이 입자들이 어디에 형성되었는지에 대한 새로운 단서를 제공하는 두 가지 연구를 수행했습니다. 이번 연구 결과는 최근 알래스카 앵커리지에서 열린 미국천문학회 제246차 회의에서 공개됐다.

이러한 빠르게 움직이는 입자는 블랙홀, 별 형성 영역 또는 폭발한 별의 잔해와 같은 극한 환경에서 생성되었을 수 있습니다. 이러한 사건은 중성미자(우주와 지구를 지속적으로 통과하는 작고 질량이 거의 없는 입자)를 생성할 수 있습니다.

Zhang은 “우주선은 당신이 생각하는 것보다 지구상의 생명체와 훨씬 더 관련이 있다”고 말했습니다. “블랙홀처럼 멀고 먼 곳에서 온 약 100조 개의 우주 중성미자가 1초마다 당신의 몸을 통과합니다. 그것이 어디서 왔는지 알고 싶지 않나요?”

자연에서 가장 극단적인 입자 가속기 탐색

우주선을 생성하는 소스는 인간이 만든 가장 진보된 입자 가속기가 도달할 수 있는 것보다 훨씬 더 높은 에너지로 양성자나 전자를 추진할 수 있을 만큼 강력합니다. Zhang의 그룹은 PeVatron이라고 불리는 이러한 천연 가속기를 이해하는 데 중점을 두고 그것이 무엇인지, 어디에 위치하는지, 어떻게 입자를 놀라운 에너지로 증폭시키는지를 결정합니다. 이러한 과정에 대한 통찰력을 얻는 것은 과학자들이 은하 형성과 암흑 물질의 본질에 관한 더 광범위한 질문을 해결하는 데 도움이 될 수도 있습니다.

PeVatron 후보자에 대한 X-Ray 연구에서 얻은 새로운 통찰력

최신 출판물에서 Zhang과 그녀의 학생들은 출신이 아직 확인되지 않은 PeVatron 후보를 조사했습니다. 첫 번째 연구에서 박사후 연구원인 Stephen DiKerby는 대형 고고도 공기 샤워 관측소(LHAASO)에서 발견한 수수께끼의 고에너지원을 조사했습니다. LHAASO가 소스를 감지했지만 그 정체는 아직 알려지지 않았습니다. DiKerby는 XMM-뉴턴 우주 망원경의 X선 관측을 사용하여 펄서 바람 성운(펄서에서 에너지를 받는 에너지 전자와 입자로 가득 찬 확장 영역)을 식별했습니다. 이 발견으로 후보가 펄서풍 성운 형태의 우주선 공급원임을 확인했습니다. 소수의 PeVatron만이 이런 방식으로 분류되었습니다.

추가 LHAASO 소스에 대한 학생 주도 관찰

두 번째 연구는 MSU 학부생 Ella Were, Amiri Walker 및 Shaan Karim이 수행했습니다. 그들은 NASA의 Swift X선 망원경을 사용하여 덜 연구된 여러 LHAASO 우주선 소스의 X선 신호를 조사했습니다. X선 방출의 상한을 계산함으로써 그 결과는 유사한 물체에 대한 향후 조사를 안내하는 데 도움이 될 수 있습니다.

Zhang은 “우주 광선 소스를 식별하고 분류함으로써 우리의 노력은 분류와 함께 우주선 소스의 포괄적인 카탈로그를 제공할 수 있기를 바랍니다”라고 말했습니다. “이는 미래의 중성미자 관측소와 기존 망원경이 입자 가속 메커니즘에 대해 보다 심층적인 연구를 수행할 수 있는 유산이 될 수 있습니다.”

중성미자, X선, 감마선 관측 결합

Zhang의 팀은 다음으로 IceCube Neutrino Observatory 데이터를 X선 및 감마선 망원경의 결과와 병합하여 우주선 소스를 조사할 예정입니다. 그들의 목표는 일부 우주선 소스가 중성미자를 방출하는 반면 다른 우주선은 그렇지 않은 이유를 이해하고 해당 중성미자가 생성되는 위치와 방법을 정확히 찾아내는 것입니다.

Zhang은 “이 연구는 입자 물리학자와 천문학자 간의 협력을 요구할 것”이라고 말했습니다. “이것은 MSU 고에너지 물리학 그룹을 위한 이상적인 프로젝트입니다.”

이 연구는 여러 NASA 관측 보조금과 국립 과학 재단 IceCube 분석 보조금의 지원을 받습니다.

요하네스 구텐베르크 마인츠 대학교(JGU)의 연구원들은 이제 널리 이용 가능하고 저렴한 원소인 망간으로 만들어진 새로운 금속 복합체를 만들었습니다. JGU 화학과의 Katja Heinze 교수는 “이 금속 복합체는 광화학 분야의 새로운 표준을 제시합니다. 이는 기록적인 여기 상태 수명과 간단한 합성을 결합한 것입니다.”라고 설명했습니다. “따라서 이는 오랫동안 빛 중심 화학을 지배해 온 귀금속 착물에 대한 강력하고 지속 가능한 대안을 제공합니다.” 이 연구는 최근에 게재되었습니다. 네이처커뮤니케이션즈.

고성능 망간 복합체를 향한 한 단계 경로

망간은 지구상에서 루테늄보다 100,000배 이상 더 흔하지만 광화학 시스템에서 성공적으로 사용된 경우는 거의 없습니다. 이를 방해하는 두 가지 주요 장애물이 있습니다. 대부분의 망간 착물은 9~10단계를 포함하는 길고 복잡한 합성을 필요로 하며 일반적으로 들뜬 상태 수명이 매우 짧습니다.

초기 합성을 수행한 Heinze 그룹의 전 박사과정 학생인 Nathan East 박사는 “새로 개발된 망간 착물은 두 가지 과제를 모두 극복했습니다. 팀은 단일 합성 단계에서 상업적으로 이용 가능한 성분으로부터 직접 재료를 만들었습니다.

복합체의 거동을 미세 조정하기 위해 연구진은 망간을 전자 특성을 조정하는 리간드와 결합했습니다. 막스플랑크 대학원센터(MPGC) 하인제 그룹의 박사과정 학생 시절 이 복합체를 조사한 산드라 크로넨베르거(Sandra Kronenberger)에 따르면, 무색 망간염과 무색 리간드를 혼합하면 잉크와 비슷한 예상치 못한 강렬한 보라색 용액이 생성됐다. 그녀는 이 눈에 띄는 색상이 복합체가 특이한 방식으로 형성되었음을 나타냄을 지적했습니다.

양자 화학 계산에 기여한 Christoph Förster 박사는 이 복합체가 단순히 이상하게 보이는 것 이상의 역할을 한다고 강조했습니다. 빛을 흡수하는 능력이 매우 강하여 들어오는 빛 입자를 포착할 가능성이 매우 높습니다. 그 결과, 탁월한 효율성으로 빛 에너지를 사용합니다.

흥분 상태 행동 기록 설정

“190나노초라는 복합체의 수명도 놀랍습니다. 이는 철이나 망간과 같은 일반적인 금속을 포함하는 이전에 알려진 복합체보다 두 배 더 긴 것입니다.”라고 발광 분광학을 사용하여 여기 상태가 어떻게 작용하는지 분석한 선임 분광학자인 Robert Naumann 박사는 말했습니다. 광화학에서 빛은 촉매에 에너지를 공급하고 여기된 촉매는 전자를 전달하기 위해 확산을 통해 다른 분자를 만나야 합니다. 이 만남은 몇 나노초가 걸릴 수 있기 때문에 오래 지속되는 여기 상태가 필수적입니다.

연구원들은 또한 이 복합체가 이 핵심 단계를 수행한다는 것을 확인했습니다. Heinze 교수는 “우리는 광반응의 초기 생성물, 즉 발생한 전자 이동을 감지할 수 있었고 이를 통해 복합체가 원하는 대로 반응한다는 것을 증명할 수 있었습니다.”라고 말했습니다.

확장 가능한 청정 에너지 광화학의 잠재력

이러한 발전은 지속 가능한 광화학 시스템의 가능성을 넓혀줍니다. 간단하고 확장 가능한 합성, 강력한 광 흡수, 안정적인 광물리적 특성 및 수명이 긴 여기 상태를 갖춘 망간 기반 물질은 미래의 대규모 광화학 응용 분야를 지원할 수 있습니다. 이러한 역량은 지속 가능한 수소 생산과 관련된 기술에 특히 유망할 수 있습니다.