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이러한 렌틸콩은 수 세기 동안 덥고 건조한 환경에서 잘 자랄 수 있도록 형태가 만들어졌기 때문에 지속적인 기후 변화에 대처할 수 있는 작물을 재배하는 데 중요한 자원이 될 수 있습니다.

화산암에 보존된 고대 곡물 사일로와 DNA

천여 년 전, 그란 카나리아(Gran Canaria) 원주민들은 수확물을 보호하기 위해 장기 저장 방법을 사용했습니다. 그들은 접근하기 매우 어려운 위치에 있는 단단한 화산암에 곡물 사일로를 직접 조각했습니다. 저장된 씨앗 중 일부는 검색되지 않았습니다. 이 암석실 내부의 환경은 매우 양호하여 식물의 DNA가 오늘날까지 남아 있습니다. 현대 연구자들에게 있어 이 오래된 작물은 특별한 과학 자원이 되었습니다.

새로운 프로젝트에서 과학자들은 고대 사일로에서 회수된 렌즈콩을 조사했습니다. 고고학적 종자의 DNA를 현재 카나리아 제도, 스페인, 모로코에서 재배되는 렌즈콩과 비교함으로써 시간이 지남에 따라 작물과 재배가 어떻게 변했는지 추적할 수 있었습니다. 이번 연구는 고고학적 DNA 기술을 콩과 식물에 적용한 최초의 연구 중 하나입니다.

렌즈콩은 언제 카나리아 제도에 도착했습니까?

유럽 ​​선원들은 1300년대에 아프리카 해안에서 떨어진 카나리아 제도를 만났습니다. 그 당시 이 군도는 천년 이상 전에 북아프리카에서 온 조상을 가진 공동체의 본거지였습니다. 현존하는 역사적 기록은 유럽인이 본 원주민 농업의 측면을 설명하지만 그러한 설명에는 렌즈콩에 대한 언급이 없습니다. 서면 기록의 이러한 공백은 핵심 질문을 제기합니다. 언제, 어떤 경로로 렌즈콩이 카나리아 제도에 도달했습니까?

고고학 과학 저널(Journal of Archaeological Science)에 발표된 이 연구는 작물이 이 지역에 깊은 뿌리를 두고 있다는 명확한 답을 제공합니다. 유전자 분석에 따르면 오늘날 이 섬에서 재배되는 렌즈콩 품종 중 다수는 200년대 북아프리카 원주민 정착민이 가져온 렌즈콩의 후손입니다.

“동일한 유형의 렌즈콩이 카나리아 제도에서 거의 2,000년 동안 재배되었습니다. 이는 유럽인들이 섬을 점령했을 때 원주민 인구가 크게 감소했다는 점을 고려하면 특히 흥미롭습니다. 그러나 새로운 정착민들은 원주민의 작물을 채택하여 계속 재배한 것 같습니다.”라고 연구를 주도한 Linköping 대학의 수석 부교수인 Jenny Hagenblad는 말합니다.

기후적응과 문화적 지식을 통한 생존

이 렌즈콩은 왜 그렇게 오랫동안 지속되었을까요? 연구원들에 따르면, 한 가지 가능성 있는 설명은 그 품종이 특히 지역 환경에 매우 적합했다는 것입니다. 또 다른 가능성은 들어오는 정착민과 결혼한 원주민 여성이 어떤 작물을 심고 어떻게 재배하는지에 대한 지식을 유지하는 데 도움이 되었다는 것입니다. 오늘날에도 카나리아 제도의 여성은 일반적으로 해당 지역에서 재배되는 식용 식물에 대해 남성보다 더 자세한 지식을 가지고 있습니다.

카나리아 제도가 오랜 기간 동안 원래의 렌즈콩 유형을 유지해 왔다는 사실은 흥미로운 세부 사항 그 이상입니다. 섬의 요리 유산에 대한 관심이 높아지고 있으며 많은 주민과 방문객이 지역 역사와 연결되는 음식을 먹고 싶어합니다. 렌즈콩은 그 문화적 이야기의 의미 있는 부분으로 밝혀졌습니다.

“우리는 연구에서 다양한 유형의 렌즈콩이 다른 섬, 심지어 이전에 렌즈콩이 재배되지 않았다고 생각되었던 섬에서도 재배된다는 사실을 확인했습니다. 유전적 다양성이 농업의 미래에 가치 있는 것으로 입증될 수 있기 때문에 다른 섬에서 렌즈콩을 보존하는 것이 중요합니다”라고 라스 팔마스 데 그란 카나리아 대학의 연구원인 조나단 산타나(Jonathan Santana)는 말합니다.

Lanzarote 렌즈콩과 스페인 작물에 대한 숨겨진 영향

연구팀은 또 다른 흥미로운 패턴도 발견했습니다. “Lenteja Tipo Lanzarote” 또는 Lanzarote 렌즈콩은 스페인 상점에서 판매되는 렌즈콩의 인기 라벨입니다. 렌틸콩 자체는 실제로 란사로테에서 생산되지는 않지만, 그 이름은 높은 품질과 연관되어 있습니다. 연구자들이 스페인 본토에서 재배된 렌즈콩을 현대 카나리아 제도의 렌즈콩과 비교했을 때, DNA 분석에 따르면 란사로테산 렌즈콩은 스페인 품종과 교배된 것으로 나타났습니다.

“우리의 결과는 란사로테산 렌즈콩이 이름뿐만 아니라 유전자도 스페인 렌즈콩에 기여했다는 것을 나타냅니다. 현재 일어나고 있는 기후 변화로 인해 건조하고 따뜻한 환경에서 자라는 데 적응한 카나리아 렌즈콩은 미래의 식물 육종에 큰 관심을 가질 수 있습니다.”라고 라스 팔마스 데 그란 카나리아 대학의 부교수인 Jacob Morales는 말합니다.

고급 컴퓨팅 및 국제 지원

이 프로젝트는 유럽 연구 위원회(ERC)와 스페인 과학 혁신 대학을 포함한 여러 출처로부터 재정 지원을 받았습니다. 데이터 처리 및 분석은 스웨덴 연구 위원회에서 부분적으로 자금을 지원하는 NAISS(스웨덴 슈퍼컴퓨터를 위한 국립 학술 인프라)를 사용하여 수행되었습니다.

이전 연구에서 WPI-ICReDD 과학자들은 포스핀 리간드와 쌍을 이루는 팔라듐 촉매가 아릴 케톤의 광 활성화(빛을 발산하여 활성화되는 반응) 변환을 유도할 수 있지만 동일한 시스템이 알킬 케톤에는 작동하지 않는다는 것을 보여주었습니다. 그들의 데이터는 알킬 케틸 라디칼이 잠시 형성되었음을 나타냅니다. 그러나 이러한 라디칼은 유용한 반응이 진행되기 전에 즉시 전자를 팔라듐 중심으로 되돌려보냈는데, 이는 역전자 이동(BET)으로 알려진 현상입니다. 그 결과 출발물질은 변하지 않았다.

전통적인 팔라듐 기반 촉매작용과 유사하게, 광여기 팔라듐 촉매의 거동은 금속에 부착된 포스핀 리간드에 크게 의존합니다. 연구팀은 올바른 리간드를 선택하면 알킬 케톤과의 반응성이 해제될 수 있다고 의심했습니다. 어려움은 규모였습니다. 수천 개의 포스핀 리간드가 존재하며 익숙하지 않은 반응에 대해 실험적으로 스크리닝하는 것은 느리고 노동 집약적이며 불필요한 화학 폐기물을 생성합니다.

이러한 한계를 극복하기 위해 연구자들은 후보 리간드의 범위를 좁히기 위해 컴퓨터 화학으로 전환했습니다. 그들은 WPI-ICReDD의 마츠오카 와타루 부교수와 마에다 사토시 교수가 개발한 가상 리간드 보조 스크리닝(VLAS) 접근법을 사용했습니다. 38개의 포스핀 리간드에 VLAS를 적용한 이 방법은 전자 및 입체 특성을 분석하여 각 리간드가 원하는 반응성을 얼마나 잘 촉진할 수 있는지 예측하는 히트 맵을 생성했습니다.

이러한 예측에 따라 팀은 실험실 테스트를 위해 세 가지 리간드를 선택했으며 궁극적으로 L4가 가장 효과적인 옵션인 트리스(4-메톡시페닐)포스핀(P(p-OMe-C₆시간₄)₃). 이 리간드는 BET를 성공적으로 억제하여 알킬 케톤이 케틸 라디칼을 생성하고 고수율 변환에 참여할 수 있도록 했습니다.

결과 방법은 화학자에게 알킬 케틸 라디칼을 사용하여 작업할 수 있는 접근 가능한 방법을 제공하고 VLAS가 새로운 화학 반응의 개발 및 최적화를 신속하게 안내할 수 있는 방법을 보여줍니다.

심각한 멸종 위기에 처한 야생화를 대상으로 조사하는 동안 특이한 종이 발견되었습니다 마리안투스 아퀴나리우스Norseman과 Hyden 사이에 위치한 Bremer Range 지역에서만 자랍니다.

Curtin School of Molecular and Life Sciences의 수석 저자인 Curtin 겸임 연구원인 Dr. Kit Prendergast는 암컷 벌의 독특한 뿔이 있는 얼굴이 라틴어로 “빛을 가져오는 사람”을 의미하는 용어인 루시퍼(lucifer)라는 이름에 영감을 주었으며 악마와 같은 모습도 참조한다고 설명했습니다.

특이한 특성과 종의 식별 방법

“나는 Goldfields의 희귀 식물을 조사하는 동안 이 종을 발견했으며 이 꿀벌이 멸종 위기에 처한 야생화와 근처의 말리 나무를 모두 방문하는 것을 발견했습니다.”라고 Prendergast 박사는 말했습니다.

“암컷의 얼굴에는 믿기 어려울 만큼 작은 뿔이 있었습니다. 새로운 종에 대한 설명을 작성할 당시 저는 넷플릭스 쇼인 루시퍼(Lucifer)를 보고 있었는데 이름이 딱 들어맞았습니다. 저 역시 넷플릭스 캐릭터인 루시퍼(Lucifer)의 열렬한 팬이어서 생각할 필요도 없었습니다.

“DNA 바코드를 통해 수컷과 암컷이 동일한 종이라는 사실이 확인되었으며, DNA 데이터베이스에 알려진 어떤 벌과도 일치하지 않았으며, 내가 수집한 표본도 박물관 컬렉션에 있는 어떤 것과도 형태학적으로 일치하지 않았습니다.

“20년 만에 처음으로 설명된 이 꿀벌 그룹의 새로운 구성원입니다. 이는 Goldfields와 같이 채광 위험이 있는 지역을 포함하여 우리가 아직 발견해야 할 생명체가 얼마나 많은지 실제로 보여줍니다.”

꿀벌과 그들이 지원하는 식물에 대한 위험

Prendergast 박사는 이번 발견은 환경이 바뀌기 전에 토착벌을 더 잘 이해할 필요가 있음을 보여준다고 말했습니다.

“새로운 종은 멸종 위기에 처한 야생화와 동일한 작은 지역에서 발견되었기 때문에 둘 다 서식지 교란과 기후 변화와 같은 다른 위협적인 과정으로 인해 위험에 처할 수 있습니다.”라고 Prendergast 박사는 말했습니다.

“많은 광산 회사가 여전히 토종 꿀벌에 대한 조사를 하지 않기 때문에 위협받는 식물과 생태계를 지원하는 데 중요한 역할을 하는 종을 포함하여 설명되지 않은 종을 놓칠 수 있습니다.

“어떤 토종 벌이 존재하는지, 어떤 식물에 의존하는지 알지 못하면, 그들이 거기 있다는 사실을 깨닫기도 전에 둘 다 잃을 위험이 있습니다.”

이 연구는 Atlas of Living Australia, Goldfields Environmental Management Group 및 USDA Agricultural Research Service의 지원을 받았습니다.

사용 가능한 자료를 덜 탐색했기 때문에 이러한 참가자는 나중에 테스트에서 질문에 잘못 대답하는 경우가 많았습니다. 틀렸음에도 불구하고 그들은 자신의 답변에 대해 높은 자신감을 표현했습니다.

오하이오 주립대학교에서 심리학 박사 논문의 일부로 이 연구를 수행한 박기원은 이러한 결과가 우려를 낳고 있다고 말했습니다.

알고리즘은 사전 지식 없이도 편향을 일으킬 수 있음

개인화된 알고리즘에 대한 기존 연구의 대부분은 사람들이 이미 어느 정도 알고 있는 정치나 사회 문제에 대한 의견에 알고리즘이 어떻게 영향을 미치는지 조사합니다.

“그러나 우리 연구는 당신이 어떤 주제에 대해 아무것도 모르는 경우에도 이러한 알고리즘이 즉시 편견을 형성하기 시작하고 현실에 대한 왜곡된 견해로 이어질 수 있다는 것을 보여줍니다.”라고 현재 펜실베니아 주립 대학의 박사후 연구원인 Bahg는 말했습니다.

연구 결과는 실험 심리학 저널: 일반.

연구 공동 저자이자 오하이오 주립대 심리학 교수인 브랜든 터너(Brandon Turner)는 이번 결과는 사람들이 알고리즘이 제공하는 제한된 정보를 신속하게 받아들이고 광범위하고 종종 근거 없는 결론을 도출할 수 있음을 시사한다고 말했습니다.

Turner는 “사람들은 알고리즘을 따를 때 정보를 놓치지만, 자신이 알고 있는 정보가 환경의 다른 기능과 부분에 일반화된다고 생각합니다.”라고 Turner는 말했습니다.

영화 추천 예시

이러한 편견이 어떻게 나타날 수 있는지 설명하기 위해 연구자들은 간단한 시나리오를 설명했습니다. 특정 국가의 영화를 본 적이 없는 사람이 영화를 보기로 결정하는 것입니다. 주문형 스트리밍 서비스는 추천을 제공합니다.

시청자는 액션 스릴러가 목록 상단에 나타나기 때문에 선택합니다. 그런 다음 알고리즘은 시청자가 계속 선택하는 더 많은 액션 스릴러를 홍보합니다.

저자들은 “명시적이든 암묵적이든 이 사람의 목표가 실제로 이 나라 영화의 전반적인 상황을 이해하는 것이라면 알고리즘 추천은 결국 그 사람의 이해를 심각하게 편향시키는 결과를 낳게 됩니다.”라고 썼습니다.

한 장르만 보면 다른 카테고리의 강력한 영화를 간과할 수 있습니다. 또한 그들은 해당 영화에 등장하는 문화나 사회에 대해 부정확하고 지나치게 광범위한 가정을 형성할 수도 있다고 저자는 지적했습니다.

테스트 알고리즘 가상의 생물에 대한 효과

Bahg와 그의 연구팀은 346명의 온라인 참가자를 대상으로 이 아이디어를 실험적으로 탐구했습니다. 누구도 사전 지식을 가져오지 않도록 하기 위해 연구자들은 완전히 허구적인 학습 과제를 사용했습니다.

참가자들은 여러 유형의 수정 같은 외계인을 연구했는데, 각 유형은 범주에 따라 다양한 6가지 특징으로 정의되었습니다. 예를 들어, 외계인의 정사각형 모양 부분 중 하나는 일부 유형에서는 짙은 검정색으로 나타나고 다른 유형에서는 옅은 회색으로 나타날 수 있습니다.

목표는 얼마나 많은 유형이 존재하는지 알지 못한 채 각 외계 유형을 식별하는 방법을 배우는 것이었습니다.

알고리즘이 학습을 안내하는 방법

실험에서 외계인의 모습은 회색 상자 뒤에 숨겨져 있었습니다. 한 가지 조건에서는 참가자들이 각 외계인에 대한 전체 정보 세트를 보려면 모든 기능을 클릭해야 했습니다.

또 다른 조건에서는 참가자가 검사할 기능을 선택하고 개인화 알고리즘이 가장 자주 샘플링할 항목을 선택했습니다. 이 알고리즘은 시간이 지남에 따라 동일한 기능을 반복적으로 검사하도록 유도했습니다. 원하는 기능은 무엇이든 볼 수 있지만 다른 기능을 완전히 건너뛰는 것도 허용되었습니다.

결과는 개인화된 알고리즘에 의해 안내된 사람들이 전체적으로 더 적은 수의 특징을 확인했으며 패턴화되고 선택적인 방식으로 그렇게 했다는 것을 보여주었습니다. 나중에 이전에 본 적이 없는 새로운 외계 표본에 대한 테스트를 받았을 때 그들은 자주 잘못 정렬했습니다. 그럼에도 불구하고 참가자들은 자신의 답변에 자신감을 유지했습니다.

Bahg는 “그들은 자신의 선택이 옳았을 때보다 실제로 선택이 틀렸을 때 훨씬 더 확신을 갖고 있었는데, 이는 그들이 지식이 적었기 때문에 우려되는 일”이라고 말했습니다.

어린이와 일상 학습에 대한 시사점

Turner는 이러한 발견이 실제적인 의미를 갖는다고 지적했습니다.

“세상에 대해 진심으로 배우려고 노력하는 어린 아이가 있고, 사용자가 더 많은 콘텐츠를 소비하도록 하는 것을 우선시하는 온라인 알고리즘과 상호 작용하고 있다면 어떤 일이 일어날까요?” 터너가 말했다.

“유사한 콘텐츠를 소비하는 것은 학습과 일치하지 않는 경우가 많습니다. 이는 사용자와 궁극적으로 사회에 문제를 일으킬 수 있습니다.”

오하이오 주립대 심리학 교수인 Vladimir Sloutsky도 공동 저자였습니다.

“인간을 포함한 대부분의 살아있는 유기체는 우주의 진공 상태에서는 단 한 순간이라도 생존할 수 없습니다”라고 홋카이도 대학의 후지타 토모미치(Tomoichi Fujita)는 말합니다. “그러나 이끼 포자는 9개월 동안 직접 노출된 후에도 활력을 유지했습니다. 이는 지구에서 진화한 생명체가 세포 수준에서 우주 조건을 견딜 수 있는 고유한 메커니즘을 보유하고 있다는 놀라운 증거를 제공합니다.”

이끼가 지구 너머에서도 살아남을 수 있는지 묻는 질문

Fujita는 식물 진화를 연구하면서 “우주 이끼”의 가능성을 탐구하기 시작했습니다. 그는 지구상에서 가장 혹독한 환경에서도 이끼가 서식하는 능력에 깊은 인상을 받았습니다. “나는 궁금해지기 시작했습니다. 작지만 놀랍도록 튼튼한 이 식물이 우주에서도 살아남을 수 있을까요?”

조사를 위해 Fujita 팀은 폭로했습니다. 개방형 물리학흙이끼 확산이라고도 알려진 를 강렬한 UV 복사, 극도로 높은 온도와 낮은 온도, 진공과 같은 조건을 특징으로 하는 시뮬레이션된 우주 환경으로 보냅니다.

이끼 구조 테스트 아래에 극심한 스트레스

연구자들은 프로테네마타(어린 이끼), 새끼 세포(스트레스 유발 줄기 세포), 포자체(캡슐화된 포자)의 세 가지 이끼 형태를 비교했습니다. 그들은 어떤 구조가 공간을 지탱할 가능성이 가장 큰지 확인하는 것을 목표로 했습니다.

Fujita는 “진공, 우주 방사선, 극심한 온도 변동 및 미세 중력을 포함한 우주의 결합된 응력이 단일 응력보다 훨씬 더 큰 손상을 일으킬 것으로 예상했습니다.”라고 말합니다.

그들의 실험에서는 UV 방사선이 가장 큰 위협이 되었으며 포자체는 분명히 다른 구조보다 성능이 뛰어났음을 보여주었습니다. 어린 이끼는 강한 자외선 노출이나 극한의 온도에서는 살아남지 못했습니다. 무리 세포는 더 나아졌지만 여전히 부족했습니다. 대조적으로, 봉입된 포자는 ~1,000배 더 큰 UV 내성을 나타냈으며 -196°C에서 일주일 이상, 또는 55°C에서 한 달 동안 견뎌낸 후에도 발아 능력을 유지했습니다.

에워싸인 포자가 가혹한 조건을 견디는 이유

연구팀은 각 포자의 주변 구조가 유해한 자외선을 흡수하고 물리적, 화학적 보호 기능을 제공할 가능성이 높다고 결론지었습니다. 그들은 이 보호 기능이 이끼를 포함하는 식물 그룹인 고대 선태류가 약 5억년 전에 물에서 땅으로 이동하고 반복되는 대량 멸종에서 살아남는 데 도움이 되었을 수 있다고 제안합니다.

이러한 적응이 실제 공간에서 유지되는지 확인하기 위해 연구자들은 포자체를 궤도로 보냈습니다.

실제 시험을 위해 ISS에 Moss 출시

2022년 3월, 수백 마리의 포자체가 Cygnus NG-17 우주선을 타고 ISS로 이동했습니다. 도착 후 우주비행사들은 샘플을 정거장 외부에 장착하여 283일 동안 우주에 노출시켰습니다. 표본은 나중에 2023년 1월 SpaceX CRS-16을 타고 지구로 돌아와 분석을 위해 실험실로 다시 가져왔습니다.

“우리는 생존율이 거의 0일 것으로 예상했지만 결과는 정반대였습니다. 대부분의 포자가 생존했습니다.”라고 Fujita는 말했습니다. “우리는 이 작은 식물 세포의 탁월한 내구성에 진심으로 놀랐습니다.”

강력한 생존과 건강한 지구 복귀

포자의 80% 이상이 전체 여행을 견뎌냈고, 생존자 중 11%를 제외한 모든 포자가 실험실에서 성공적으로 발아했습니다. 엽록소 측정 결과, 감광성 화합물인 엽록소 a가 20% 감소한 것을 제외하고는 거의 모든 색소에서 정상 수준을 보였습니다. 이러한 감소에도 불구하고 포자는 건강하게 유지되었습니다.

“이 연구는 지구에서 시작된 생명의 놀라운 회복력을 보여줍니다.”라고 Fujita는 말합니다.

또한 팀은 유사한 조건에서 포자가 얼마나 오래 지속될 수 있는지 추정하는 수학적 모델을 구축하기 위해 데이터를 사용했습니다. 그들의 계산에 따르면 잠재적인 생존 기간은 최대 5,600일, 즉 약 15년으로 추정되지만 확고한 결론을 내리려면 더 많은 데이터가 필요하다고 강조했습니다.

지구 너머의 생명 성장에 대한 시사점

연구원들은 이러한 발견이 외계 토양이 어떻게 식물의 생명을 유지할 수 있는지에 대한 향후 연구를 뒷받침하고 외계 환경을 위한 농업 시스템 개발에 이끼를 사용하려는 노력을 장려하기를 희망합니다.

“궁극적으로 우리는 이 연구가 달이나 화성과 같은 외계 환경에서 생태계를 구축하는 데 새로운 지평을 열기를 희망합니다”라고 Fujita는 말합니다. “우리의 이끼 연구가 그 출발점이 되기를 바랍니다.”

이 연구는 DX 장학금 홋카이도 대학, JSPS KAKENHI 및 국립 자연 과학 연구소의 우주 생물학 센터의 지원을 받았습니다.

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.