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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.

네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 연구를 이끈 스페인 알리칸테 대학의 천문학자 토니 산타나-로스(Toni Santana-Ros)는 “우리는 물체의 현실이 이전에 설명된 것과 완전히 다르다는 것을 발견했습니다”라고 말했습니다. 새로운 결과를 이전 레이더 데이터와 결합하여 팀은 소행성의 직경이 11미터에 불과하며 관측 중에 사용된 VLT 장치 망원경의 돔 내부에 들어갈 만큼 작다는 것을 확인했습니다. 그들은 또한 소행성이 대략 5분 안에 회전을 완료한다는 것을 발견했습니다. 이전 연구에서는 직경이 약 30미터이고 회전 주기가 10분에 가까울 것으로 제안되었습니다.

더 작고 더 빠른 소행성은 임무 과제를 제기합니다

“현재 측정된 더 작은 크기와 더 빠른 회전은 하야부사2의 방문을 더욱 흥미롭게 만들 것입니다. 그러나 또한 훨씬 더 도전적인 일이기도 합니다”라고 독일 ESO의 천문학자이자 공동 저자인 올리비에 하이노트(Olivier Hainaut)는 말합니다. 빠른 회전과 작은 크기는 우주선이 표면과 잠시 접촉하는 터치다운 기동을 수행하는 것이 원래 예상했던 것보다 더 어려울 것임을 의미합니다.

1998년 KY26은 일본 항공우주탐사국(JAXA)의 하야부사2 우주선의 최종 목표로 계획됐다. 하야부사 2호는 1차 임무 동안 2018년 직경 900미터의 소행성 162173 류구(Ryugu)를 방문했고 2020년에 샘플을 지구로 반환했다. 충분한 연료가 남아 있는 상태에서 우주선은 2031년에 종료되는 연장 임무를 배정받았고, 2031년에 종료되어 매우 작은 소행성을 조사하기 위해 1998 KY26에 도달하게 된다. 이번 만남은 이전의 모든 임무에서 수백 또는 수천 미터 너비의 소행성을 탐사한 것처럼 우주선이 이렇게 작은 크기의 소행성을 방문한 것은 처음이 될 것입니다.

지상 망원경은 작은 목표의 희귀한 세부 사항을 포착합니다.

임무 계획을 지원하기 위해 Santana-Ros와 동료들은 지구에서 1998 KY26을 관찰했습니다. 소행성은 극도로 작고 희미하기 때문에 팀은 물체가 지구를 비교적 가깝게 지나갈 때까지 기다린 다음 칠레 북부 아타카마 사막에 있는 ESO의 VLT를 포함하여 사용 가능한 가장 큰 망원경 중 일부에 의존해야 했습니다.

관찰에 따르면 소행성은 밝은 표면을 가지고 있으며 아마도 부서진 행성이나 다른 소행성에서 유래한 단단한 암석 조각일 가능성이 높습니다. 그럼에도 불구하고 연구자들은 그것이 느슨하게 묶인 잔해 덩어리일 수도 있다는 점을 완전히 배제할 수는 없습니다. “우리는 10미터 크기의 소행성을 현장에서 본 적이 없기 때문에 무엇을 기대하고 어떻게 보일지 실제로 알 수 없습니다”라고 바르셀로나 대학교 소속인 Santana-Ros는 말했습니다.

미래 탐사 및 행성 방어에 대한 통찰력

“여기서 놀라운 이야기는 소행성의 크기가 그것을 방문할 우주선의 크기와 비슷하다는 것을 발견했다는 것입니다. 그리고 우리는 망원경을 사용하여 그러한 작은 물체의 특성을 파악할 수 있었으며 이는 미래에 다른 물체에 대해서도 그렇게 할 수 있다는 것을 의미합니다.”라고 Santana-Ros는 말합니다. “우리의 방법은 미래의 지구 근처 소행성 탐사나 소행성 채굴 계획에 영향을 미칠 수 있습니다.”

“또한 이제 우리는 2013년 러시아 첼랴빈스크 근처에 충돌한 것과 같이 지구에 영향을 미칠 수 있는 가장 작은 위험한 소행성도 특성화할 수 있다는 것을 알고 있습니다. 이 소행성은 KY26보다 거의 크지 않았습니다.”라고 Hainaut는 결론지었습니다.

연구 결과는 “Hayabusa2♯ 임무 목표 1998 KY26 미리 보기: 데카미터 크기, 높은 알베도 및 두 배 빠른 회전”이라는 제목의 논문에 나와 있습니다. 네이처커뮤니케이션즈.

연구팀은 스페인 SeñCU에 있습니다. The Unit of Physician, Piculty of Physics and Astronomy, 폴란드 (AOI AOI AMU) ), Extraserrestristristristrsche, Germana), M. / PDO / NEO Coordination Centre, Italy) CE

키스는 많은 동물종에서 볼 수 있지만 진화론적 수수께끼를 제기합니다. 키스 행위는 질병을 퍼뜨릴 수 있으며 생존이나 번식을 직접적으로 향상시키는 것으로 보이지는 않습니다. 키스는 많은 인간 집단에게 강한 감정적, 문화적 의미를 갖고 있지만, 키스의 진화 배경을 자세히 조사한 적은 거의 없습니다.

영장류 가계도의 키스 재구성

이번 연구에서 연구자들은 영장류 간의 진화 관계를 이용하여 키스의 기원을 추적하려는 최초의 종간 교차 시도를 수행했습니다. 그들의 결과는 키스가 2,150만~1,690만 년 전 사이에 조상에게서 출현한 대형 유인원에 깊은 뿌리를 두고 있음을 시사합니다. 이 행동은 진화를 통해 지속된 것으로 보이며 이 그룹 내의 대부분의 종에서 여전히 관찰됩니다.

연구팀은 또한 멸종된 인류 친척인 네안데르탈인도 키스를 했을 가능성이 높다고 결론지었습니다. 이 결론은 인간과 네안데르탈인이 구강 미생물을 교환하고(타액 전달을 통해) 상호 교배했다는 이전 연구에 의해 뒷받침되며, 이는 키스가 상호 작용의 일부임을 암시합니다.

옥스퍼드 생물학과의 주저자이자 진화생물학자인 마틸다 브린들 박사는 이렇게 말했습니다. “키스를 조사하기 위해 폭넓은 진화론적 렌즈를 사용한 것은 이번이 처음입니다. 우리의 발견은 영장류 사촌들이 나타내는 성적 행동의 놀라운 다양성을 강조하는 연구에 추가로 추가됩니다.”

동물의 키스 정의 및 식별

분석을 수행하기 위해 팀은 먼저 키스로 간주되는 것이 무엇인지 정의해야 했습니다. 왜냐하면 많은 입 대 입 행동이 동일하지는 않지만 행동과 유사하기 때문입니다. 그들은 광범위한 진화 범위에 걸쳐 종을 비교하고 있었기 때문에 그 정의는 보편적으로 적용되어야 했습니다. 그들은 키스를 음식 전달을 포함하지 않는 공격적이지 않은 입 대 입 접촉으로 정의했습니다.

이 정의를 정한 후 연구자들은 과학 문헌을 검토하여 키스에 참여하는 것으로 알려진 현대 영장류를 식별했습니다. 그들의 초점은 침팬지, 보노보, 오랑우탄을 포함하여 아프리카, 유럽, 아시아에서 진화한 원숭이와 유인원이었습니다.

키스의 진화 모델링

다음 단계에는 키스가 특성으로 코드화되어 영장류 가계도에 포함되는 계통발생 분석이 포함되었습니다. 통계적 방법(베이지안 모델링이라고 함)을 사용하여 팀은 수백만 개의 가능한 진화 시나리오를 시뮬레이션하여 다양한 조상이 키스할 가능성을 추정했습니다. 이 모델은 결과에 대한 강력한 통계적 신뢰도를 제공하기 위해 1천만 번 실행되었습니다.

공동 저자이자 옥스포드 진화 생물학 교수인 스튜어트 웨스트(Stuart West) 교수는 이렇게 말했습니다. “진화 생물학을 행동 데이터와 통합함으로써 우리는 키스처럼 화석화되지 않는 특성에 대해 정보에 입각한 추론을 할 수 있습니다. 이를 통해 현대 종과 멸종 종 모두의 사회적 행동을 연구할 수 있습니다.”

문화적 변이와 미래 연구

연구자들은 특히 대형 유인원을 제외하면 이용 가능한 데이터가 여전히 제한되어 있지만 이 프로젝트는 향후 연구를 위한 기초를 제공한다고 지적합니다. 또한 영장류학자들에게 인간이 아닌 동물의 키스 행동을 보고하는 표준화된 방법을 제공합니다.

공동 저자이자 플로리다 공과대학 심리학과 조교수인 캐서린 탤벗(Catherine Talbot)은 “키스는 평범하고 보편적인 행동처럼 보일 수 있지만 인간 문화의 46%에만 기록되어 있다”고 말했습니다. “사회적 규범과 맥락은 사회마다 크게 다르기 때문에 키스가 진화된 행동인지 문화적 발명인지에 대한 의문이 제기됩니다. 이것이 그 질문을 해결하는 첫 번째 단계입니다.”

FuZE-3은 또한 플라즈마를 가속하고 압축하는 메커니즘을 독립적으로 제어할 수 있는 세 번째 전극을 사용하는 Zap의 첫 번째 시스템이기도 합니다. 초기 발견은 캘리포니아주 롱비치에서 열린 미국물리학회 플라즈마물리학부 회의에서 공유되었습니다.

실험 물리학 책임자인 Colin Adams는 “FuZE-3에는 Zap의 이전 시스템과 비교하여 몇 가지 큰 변화가 있으며, 이렇게 빨리 성능을 발휘하는 것을 보니 정말 좋습니다.”라고 말했습니다.

극압이 핵융합에 중요한 이유

핵융합으로 에너지를 생산하려면 매우 뜨겁고 밀도가 높은 플라즈마가 필요합니다. 압력이 높을수록 더 많은 핵융합 반응이 일어나기 때문에 온도와 밀도를 모두 반영하는 압력이 중심 역할을 합니다. 일부 핵융합 시스템은 가능한 가장 높은 압력에 도달하는 데 중점을 두는 반면, 다른 시스템은 플라즈마를 더 오랜 기간 동안 가두어 보상합니다. Zap의 전단 흐름 안정화 Z 핀치는 강력한 압축과 지속적인 구속 사이의 균형을 추구합니다.

지금까지 팀의 최고 단일 샷 전자 압력 측정은 830MPa입니다. 플라즈마에는 전자와 훨씬 무거운 이온이 포함되어 있고 둘 다 비슷한 온도에 도달할 것으로 예상되므로 결합된 플라즈마 압력(전자와 이온)은 약 1.6GPa로 추정됩니다. 이를 관점에서 보면, 1기가파스칼은 해수면에서 지구 대기압의 약 1만 배, 즉 마리아나 해구 바닥 압력의 약 10배에 해당합니다.

이러한 압력은 약 1마이크로초(백만분의 1초) 동안 유지되었으며 플라즈마 상태를 결정하는 가장 신뢰할 수 있는 방법으로 간주되는 기술인 광학 톰슨 산란을 사용하여 측정되었습니다.

FuZE-3을 사용한 최근 실험에서는 전자 밀도가 3~5x1024m-3이고 전자 온도가 1keV(화씨 21,000,000도에 해당) 이상인 여러 개의 반복 가능한 샷이 생성되었습니다.

R&D 부사장인 Ben Levitt는 “이론적 예측, 계산 모델링, 신속한 구축 및 테스트 엔지니어링, 실험 검증, 측정 전문 지식이 긴밀하게 결합된 덕분에 팀의 큰 노력이 성공했습니다.”라고 말했습니다. “더 작은 시스템을 사용하면 신속하게 이동할 수 있다는 이점이 있으며, 유사한 성능을 가진 융합 장치의 크기와 비용의 일부인 시스템에서 이러한 결과를 달성하는 것이 이토록 중요한 성과를 만드는 큰 부분입니다.”

더 높은 융합 성능을 위한 FuZE-3 설계

FuZE-3은 FuZE 플랫폼의 세 번째 버전이자 Zap이 제작한 다섯 번째 전단 흐름 안정화 Z 핀치 장치입니다. 최초로 1keV 이상의 온도에 도달한 최초의 FuZE 기계는 이후 폐기되었습니다. 계속 운영되고 있는 FuZE-Q는 현재 전력 및 핵융합 중성자 수율 측면에서 회사 최고의 성능을 발휘하고 있습니다.

FuZE-3의 목표는 밀도, 온도 및 감금 시간을 결합하는 핵심 융합 측정항목인 삼중 곱의 더 높은 값에 도달하는 것입니다. 이를 지원하기 위해 시스템에는 3개의 전극과 2개의 커패시터 뱅크가 포함됩니다.

가속 및 압축의 독립적인 제어

Zap의 초기 Z 핀치 테스트는 두 전극 사이를 이동하는 단일 전기 펄스에 의존했습니다. 이를 위해서는 플라즈마를 가속하여 안정화 흐름을 생성하고 이를 Z 핀치로 압축하는 데 동일한 전원이 필요했습니다.

“플라즈마 가속과 압축을 독립적으로 제어하는 ​​기능은 물리학을 조정하고 플라즈마 밀도를 높일 수 있는 새로운 다이얼을 제공합니다.”라고 Adams는 말합니다. “2전극 시스템은 가열에 효과적이었지만 이론 모델에서 목표로 삼은 압축이 부족했습니다.”

새로운 데이터는 매우 높은 압력을 보여주지만 Zap의 접근 방식은 준정상 상태 자기 감금에 기반을 두고 있습니다. 이는 대규모 레이저 배열(또는 경우에 따라 다른 Z 핀치)의 강력한 나노초 길이 펄스에 의존하여 목표물을 빠르게 분쇄하는 관성 핵융합 시스템과는 다릅니다. Zap의 방법에서는 플라즈마가 잘 작동하도록 유지하는 안정화 흐름을 제어하는 ​​것이 강력한 압축을 달성하는 것만큼 중요합니다.

초기 진전과 더 높은 삼중 제품을 향한 추진

FuZE-3에서 얻은 Zap의 최신 연구 결과는 팀이 활발한 실험 캠페인을 계속하고 있기 때문에 아직 예비 단계입니다. APS DPP 회의에서 추가적인 통찰력이 공유되고 있으며, 그룹은 앞으로 몇 달 안에 과학 저널에 자세한 결과를 발표할 계획입니다.

“우리는 FuZE-3를 이제 막 시작했습니다.”라고 Levitt는 말합니다. “최근에 제작 및 시운전되었으며 반복성이 높은 고품질 샷을 많이 생성하고 있으며 융합 성능의 급속한 발전을 계속할 수 있는 충분한 헤드룸이 있습니다. 우리는 상업적 융합을 향해 계속 발전하면서 FuZE-3의 교훈을 차세대 시스템에 통합할 것입니다.”

Zap이 올 겨울 또 다른 차세대 FuZE 장치를 온라인으로 출시할 준비를 하는 동안 FuZE-3에 대한 테스트는 계속될 것입니다. Century 데모 플랫폼의 지원을 받아 미래 발전소 시스템에 대한 작업도 동시에 진행되고 있습니다.

Zap 에너지 소개

Zap Energy는 다른 많은 접근법에 사용되는 크고 복잡한 자기 코일 없이 플라즈마를 가두어 압축하는 소형의 저비용 핵융합 시스템을 개발하고 있습니다. 이 회사의 전단 흐름 안정화 Z 핀치 기술은 보다 유리한 핵융합 경제성을 약속하며 기존 설계보다 훨씬 적은 자본을 필요로 합니다. Zap Energy는 시애틀과 샌디에이고에서 150명의 직원을 고용하고 있으며 주요 전략 및 재무 투자자의 지원을 받고 있습니다.

포획된 물을 추출하는 데에는 일반적으로 열이 필요하고 오랜 기다림이 필요합니다. 대부분의 최신 시스템은 갇힌 수분이 증발하여 액체로 응축될 때까지 햇빛에 의존하여 이러한 물질을 따뜻하게 합니다. 이 느린 단계는 몇 시간이 걸릴 수도 있고 며칠이 걸릴 수도 있습니다.

MIT 엔지니어들은 이제 이 물을 회수하는 훨씬 빠른 방법을 확인했습니다. 태양열 가열에 의존하는 대신 팀은 수분을 느슨하게 흔드는 초음파 진동을 사용합니다.

초음파 진동은 더 빠른 대안을 제공합니다

연구진은 빠르게 진동하는 고주파 초음파 장치를 만들었습니다. 물을 흡수하는 물질 또는 “흡수제”가 장치 위에 놓이면 물 분자를 제자리에 고정시키는 결합을 끊도록 조정된 초음파를 보냅니다. 그들의 테스트에 따르면 이 접근 방식은 몇 분 안에 물을 배출하는 반면, 열 구동 시스템은 일반적으로 수십 분 또는 몇 시간이 소요되는 것으로 나타났습니다.

열을 사용하지 않기 때문에 장치에는 전원이 필요합니다. 연구팀은 작은 태양전지가 전기를 공급할 수 있고 물질이 포화되는 시기를 감지하는 센서 역할도 할 수 있다고 제안했다. 충분한 물이 축적될 때마다 시스템이 자동으로 활성화되도록 설정할 수도 있습니다. 이러한 자동화를 통해 하루 종일 반복적으로 물을 수집하고 방출할 수 있습니다.

실용적인 공대지 시스템을 향한 한 걸음

MIT 기계공학과의 수석 연구 과학자인 스베틀라나 보리스키나(Svetlana Boriskina)는 “사람들은 대기 중에서 물을 수확하는 방법을 찾고 있었는데, 이는 특히 사막 지역과 담수화할 바닷물조차 없는 곳에서 큰 물 공급원이 될 수 있습니다”라고 말했습니다. “이제 우리는 빠르고 효율적으로 물을 회수할 수 있는 방법을 갖게 되었습니다.”

Boriskina와 그녀의 공동저자들은 11월 18일에 발표된 연구에서 장치를 설명합니다. 네이처커뮤니케이션즈. 이 논문은 Carlos Díaz-Marín, Marvin Christen, Michael Lherbette 및 Christopher Liem과 함께 미디어 예술 및 과학 분야의 MIT 대학원생인 제1저자 Ikra Iftekhar Shuvo가 주도했습니다.

대기 중 물 수확 개선

Boriskina의 연구 그룹은 혁신적인 방식으로 환경 조건과 상호 작용하는 재료를 개발합니다. 최근 그들은 대기 중 물 수확(AWH)과 공기 중 수분을 효율적으로 끌어들이도록 재료를 조작하는 방법을 탐구했습니다. 장기적인 목표는 담수와 해수 공급이 모두 부족한 지역사회에 신뢰할 수 있는 식수원을 제공하는 것입니다.

다른 많은 팀과 마찬가지로 그들은 처음에 옥외에 배치된 AWH 시스템이 밤새 습기를 흡수한 다음 낮 동안 햇빛에 의존하여 증발과 응결을 통해 습기를 방출할 것이라고 가정했습니다.

“물을 잡는 데 아주 좋은 물질은 그 물과 헤어지기를 원하지 않습니다”라고 Boriskina는 설명합니다. “그래서 재료에서 물을 끌어내는 데 많은 에너지와 귀중한 시간을 투자해야 합니다.”

초음파 연구가 촉발한 새로운 방향

더 빠른 방법에 대한 아이디어는 Ikra Shuvo가 그룹에 합류한 후에 나타났습니다. Shuvo는 웨어러블 의료 기기용 초음파를 사용해 왔으며 Boriskina와 논의하는 동안 초음파 진동이 대기 중 물 수확에서 물 방출 단계를 극적으로 가속화할 수 있다는 것을 깨달았습니다.

“찰칵 소리가 났습니다. 해결하려는 큰 문제가 있는데 이제 Ikra가 이 문제를 해결하는 데 사용할 수 있는 도구를 갖춘 것 같았습니다.”라고 Boriskina는 회상합니다.

초음파가 물을 흔드는 방법

초음파는 20킬로헤르츠(초당 20,000사이클)를 초과하는 음압파를 말합니다. 이러한 고주파수 파동은 인간에게 보이지도, 들리지도 않습니다. 연구팀은 올바른 주파수에서 초음파가 물 분자를 흔들어 물 분자를 붙잡고 있는 물질로부터 분리할 수 있다는 사실을 발견했습니다.

“초음파를 사용하면 물 분자와 물 분자가 앉아 있는 부위 사이의 약한 결합을 정확하게 끊을 수 있습니다.”라고 Shuvo는 말합니다. “물이 파도와 함께 춤추는 것과 같습니다. 이러한 표적화된 교란은 물 분자를 방출하는 추진력을 생성하며, 우리는 물 분자가 물방울 속에서 흔들리는 것을 볼 수 있습니다.”

고주파 액추에이터 설계

Shuvo와 Boriskina는 대기 중 물 수확을 위해 특별히 초음파 액추에이터를 제작했습니다. 그 중심에는 전압이 가해질 때 진동하는 평평한 세라믹 링이 있습니다. 그 주위에는 작은 노즐이 들어 있는 또 다른 링이 있습니다. 물방울이 흔들리면 노즐을 통해 진동 링 위와 아래에 위치한 수집 용기로 떨어집니다.

팀은 이전에 개발된 AWH 재료를 사용하여 장치를 테스트했습니다. 그들은 각 샘플이 완전히 포화될 때까지 다양한 습도 수준의 습도 챔버에 작은 1/4 크기의 흡착제 조각을 배치했습니다. 그런 다음 각 샘플을 액츄에이터에 놓고 초음파 주파수로 진동시켰습니다. 모든 테스트에서 액추에이터는 몇 분 내에 재료를 건조시킬 만큼 충분한 수분을 방출했습니다.

효율성 향상 및 실질적인 잠재력

연구진은 동일한 물질에서 물을 추출할 때 초음파 방법이 태양열에 의존하는 것보다 45배 더 효율적이라고 추정합니다.

“이 장치의 장점은 완전히 보완적이며 거의 모든 흡착제에 추가 기능이 될 수 있다는 것입니다.”라고 Boriskina는 말합니다. 그녀는 각각 대략 창문 크기의 초음파 작동기와 쌍을 이루는 빠르게 흡수되는 재료를 사용하는 가정용 시스템을 상상합니다. 물질이 포화되면 액추에이터는 태양 전지의 전력을 사용하여 잠시 활성화되고 물을 흔들어 낸 다음 다른 주기로 재설정됩니다.

“하루에 얼마나 많은 물을 추출할 수 있는지가 관건입니다.”라고 그녀는 말합니다. “초음파를 사용하면 물을 빠르게 회수하고 계속해서 순환할 수 있습니다. 하루에 많은 양이 추가될 수 있습니다.”

이 연구는 부분적으로 MIT Abdul Latif Jameel 수자원 및 식품 시스템 연구소와 MIT-이스라엘 Zuckerman STEM 기금의 지원을 받았습니다.

석유와 가스는 전력 시설에 도달하기 전에 몇 가지 추가 단계를 거칩니다. 불필요한 물질을 제거하기 위해 정제된 후 전문 시설에 보관되어 전국으로 운송됩니다. 이러한 활동은 미국 전역에 걸쳐 있으며 종종 대중이 볼 수 없는 곳에서 운영되는 광범위한 중간 공급망 네트워크를 형성합니다.

수백만 명이 화석 연료 기반 시설 근처에 살고 있습니다.

보스턴 대학 연구원들이 주도한 새로운 분석은 얼마나 많은 사람들이 이 인프라 근처에 살고 있는지에 대한 최초의 전국 추정치를 제공합니다. Environmental Research Letters에 발표된 이 연구에 따르면 미국 내 4,660만 명이 화석 연료 공급망의 최소 한 구성 요소에서 1.6km(대략 1마일) 이내에 살고 있는 것으로 나타났습니다. 이는 전체 인구의 14.1%를 차지한다.

이전 연구에 따르면 추출 장소 및 최종 사용 시설 근처의 지역 사회에서는 출산 및 천식 발생률이 더 높고 백혈병을 포함한 다른 질환과의 잠재적 연관성에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 그러나 공급망 중간에 있는 시설 근처에 거주할 때 건강에 미치는 영향은 아직까지 잘 알려져 있지 않습니다. 이 단계의 일부 현장에서는 휘발성 유기 화합물 및 기타 유해한 오염 물질을 배출하는 것으로 밝혀졌습니다.

논문의 제1저자이자 BU 공중보건대학원(SPH)의 환경 보건 조교수이자 BU 글로벌 지속가능성 연구소(IGS)의 핵심 교수진인 Jonathan Buonocore는 “이 연구는 잠재적인 문제의 일반적인 크기를 파악하는 데 도움이 되며 위험이 무엇인지, 얼마나 많은 사람들이 잠재적으로 노출되는지 정확히 이해하는 더 나은 작업을 수행하는 프로세스를 시작합니다”라고 말했습니다. “특히 이러한 모호한 에너지 기반 시설의 경우, 이는 지역 사회에 어떤 배출 및 스트레스 요인을 가하고 있는지 추적하는 첫 번째 단계입니다.”

미국인들이 에너지 공급망을 따라 살아가는 곳

연구원들은 또한 다양한 유형의 인프라에 따라 노출이 어떻게 달라지는지 조사했습니다. 거의 2,100만 명의 미국인이 발전소와 같은 최종 사용 시설 근처에 살고 있습니다. 석유 및 가스 유정을 포함하여 추출 지역 1마일 이내에 2천만 명이 넘는 사람들이 살고 있습니다. 피크 저감 시설, 지하 가스 저장 장소, 석유 제품 터미널을 포함한 저장 위치에는 인근 주민이 600만 명이 넘습니다. 정유시설이나 운송시설 근처에 거주하는 사람은 줄어들었습니다. 약 900만 명의 사람들이 여러 인프라 유형에 가깝게 살고 있으며, 이는 이들이 하나 이상의 범주에 속한다는 것을 의미합니다.

이번 연구의 수석 저자이자 SPH 전염병학 조교수이자 IGS 핵심 교수진인 메리 윌리스(Mary Willis)는 “가스나 기름이 통제할 수 없을 정도로 유정에서 흘러나올 때 지속적인 오염, 가스 누출 또는 분출 등 각 단계에서 대기 오염이 발생할 수 있다고 믿을 만한 이유가 있습니다”라고 말했습니다. “이러한 모든 단계는 다양한 인구 건강 결과에 합리적으로 영향을 미칠 수 있지만 인프라 구성 요소 근처에 누가 있는지에 대한 기본 정보는 현재까지 조사되지 않았습니다.”

환경 불평등과 도시 집중

이 연구는 화석 연료 기반 시설이 위치한 곳에 분명한 차이가 있음을 강조합니다. 주로 백인이 아닌 지역 사회는 공급망의 모든 단계에서 더 높은 노출을 경험하여 이전 환경 정의 연구 결과를 강화합니다.

또한 분석에 따르면 도시 지역에서는 근접성이 훨씬 더 일반적입니다. 최종 사용 장소, 운송 장소, 정제 장소, 저장 장소 근처에 사는 사람들의 거의 90%가 도시에 위치하고 있습니다.

개별 인프라 유형을 살펴보면 향후 정책을 안내할 수 있는 추세가 드러났습니다. 단일 저장 인프라에는 평균 1마일 내에 2,900명의 주민이 살고 있는 반면, 추출 현장에는 일반적으로 17명이 살고 있습니다. 이는 추출 현장이 더 많지만 인구가 적은 지역에 위치한 반면, 저장 시설은 수는 적지만 인구가 밀집된 지역에 배치되는 경향이 있다는 사실을 반영합니다.

Buonocore는 “이는 도시 지역의 지역 정책 입안자가 노출을 줄이는 데 관심을 갖고 저장에 중점을 둔다면 인프라 당 가장 큰 영향을 받을 수 있다는 것을 의미합니다”라고 말했습니다.

새로운 국가 데이터베이스로 이 연구가 가능해졌습니다

이 연구는 2024년 봄 Power & People Symposium에서 Buonocore와 Willis가 소개한 공중 보건을 위한 에너지 인프라 노출 강도 및 형평 지수(EI3) 데이터베이스를 사용한 최초의 연구입니다. 연구팀에는 Fintan Mooney, Erin Campbell, Brian Sousa, Breanna van Loenen, Patricia Fabian 및 Amruta Nori-Sarma도 포함되었습니다.

EI3 이전에는 화석 연료 인프라에 대한 정보가 지방, 주, 연방 데이터베이스에 분산되어 있었으며 일부 데이터 소스에는 비용을 지불하거나 특별 액세스가 필요했습니다. IGS와 SPH가 공동으로 자금을 지원하는 IGS 지속 가능성 연구 보조금의 지원을 받아 팀은 사용 가능한 데이터를 단일 국가 리소스로 결합했습니다. 해당 데이터세트는 Harvard Dataverse에서 호스팅됩니다. 이 보조금은 또한 Buonocore와 Willis가 공동 감독하는 SPH 에너지 및 건강 연구소를 시작하는 데 도움이 되었습니다.

Buonocore는 “이 연구는 사람들이 노출되는 위험, 그에 따른 건강 영향, 노출되는 사람 측면에서 공급망 전반에 걸쳐 큰 지식 격차가 있음을 실제로 보여줍니다”라고 말했습니다. “이러한 다양한 유형의 인프라로 인해 위험은 완전히 특성화되지 않았습니다. 위험을 특성화하고 가장 심하게 노출된 사람을 이해하는 것이 가능한 건강 영향을 이해하는 첫 번째 단계여야 합니다. 이 연구는 해당 경로의 첫 번째 단계를 수행합니다.”

더 나은 정책과 미래 연구를 기대합니다.

일부 주와 지방자치단체에서는 화석 연료 운영이 가능한 곳을 규제하지만, 많은 지역에서는 여전히 인프라가 집과 학교에 매우 가까운 곳에 위치하도록 허용합니다. 팀은 그들의 연구가 정보에 입각한 정책 결정을 지원하고 공중 보건을 개선할 수 있는 더 많은 연구로 이어지기를 희망합니다. 향후 연구에는 시설 근처의 공기, 물, 소음 및 빛 오염에 대한 자세한 모니터링과 Medicaid 기록 또는 임신 계획자와 같은 특정 그룹에 대한 정보와 같은 새로운 데이터 세트를 사용한 조사가 포함될 수 있습니다.

“우리는 이것을 통합 시스템으로 생각하는 최초의 그룹입니다. 이러한 모든 요소를 ​​한 번에 정량화함으로써 우리는 잠재적으로 직접 비교할 수 있습니다. 저장 장소 근처에 사는 것과 추출 장소 근처에 사는 것이 건강에 미치는 영향은 무엇입니까?” 윌리스가 말했다. “이를 하나의 데이터베이스에 저장하는 것은 향후 이 통합 시스템에서 건강 연구를 수행하기 위한 첫 번째 단계입니다.”

네이처(Nature)지에 게재된 연구팀의 연구 결과 과학 보고서전기적 부분뿐만 아니라 빛의 자기 부분이 빛이 재료와 상호 작용하는 방식에 의미 있고 측정 가능한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 이 결과는 19세기 이후 패러데이 효과에 대한 이해를 형성해 온 과학적 설명과 모순됩니다.

대학 전기 공학 및 응용 물리학 연구소의 Amir Capua 박사와 Benjamin Assouline이 주도한 이 연구는 진동하는 빛의 자기장이 패러데이 효과에 직접적으로 기여한다는 최초의 이론적 증거를 제공합니다. 이 효과는 빛이 일정한 자기장에 있는 물질을 통과할 때 빛의 편광이 어떻게 회전하는지를 설명합니다.

빛과 자기가 상호 작용하는 방법

“간단히 말해서 이는 빛과 자기 사이의 상호작용입니다.”라고 Capua 박사는 말합니다. “정자기장은 빛을 ‘비틀고’ 빛은 물질의 자기 특성을 드러냅니다. 우리가 발견한 것은 빛의 자기 부분이 1차 효과를 가지며 이 과정에서 놀랍게도 활성화된다는 것입니다.”

거의 2세기 동안 과학자들은 패러데이 효과를 물질의 전하와 상호 작용하는 빛의 전기장에만 기인한다고 생각했습니다. 새로운 연구는 빛의 자기장이 원자 스핀과 상호작용함으로써 직접적인 역할을 한다는 것을 보여주었는데, 오랫동안 그 기여는 미미하다고 여겨졌습니다.

자기 기여도 계산

연구자들은 자성 물질에서 스핀이 어떻게 작용하는지 설명하는 Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG) 방정식에 기반한 고급 계산을 사용하여 빛의 자기장이 정자기장과 유사한 방식으로 물질 내에서 자기 토크를 생성할 수 있음을 입증했습니다. Capua는 “즉, 빛은 물질을 조명할 뿐만 아니라 자기적으로 영향을 미친다”고 설명합니다.

그 영향의 정도를 측정하기 위해 팀은 패러데이 효과를 연구하는 데 일반적으로 사용되는 결정인 TGG(테르븀 갈륨 가넷)에 이론 모델을 적용했습니다. 그들의 분석에 따르면 빛의 자기 성분은 가시 스펙트럼에서 관찰된 회전의 약 17%, 적외선에서는 최대 70%를 담당한다는 것이 밝혀졌습니다.

미래 기술을 위한 새로운 경로

“우리의 결과는 빛이 전기장뿐만 아니라 지금까지 간과되었던 구성 요소인 자기장을 통해서도 문제에 대해 ‘대화’한다는 것을 보여줍니다.”라고 Benjamin Assouline은 말합니다.

연구원들은 빛의 자기적 행동에 대한 이러한 수정된 이해가 빛을 이용한 광학 데이터 저장, 스핀트로닉스 및 자기 제어 분야의 혁신을 위한 문을 열 수 있다고 지적했습니다. 이 작업은 스핀 기반 양자 컴퓨팅의 향후 개발에도 기여할 수 있습니다.

어두운 엑시톤은 초박형 반도체 재료에서 형성되며 희미한 빛만 방출하기 때문에 일반적으로 감지할 수 없습니다. 그럼에도 불구하고 과학자들은 이 물질이 특이한 방식으로 빛과 상호 작용하고 비교적 오랜 기간 동안 안정적으로 유지되며 주변 환경의 방해를 덜 받아 결어긋남을 줄이는 데 도움이 되기 때문에 오랫동안 양자 정보 및 고급 포토닉스에 유망한 것으로 여겨 왔습니다.

나노크기 디자인으로 암흑 엑시톤 증폭

이러한 숨겨진 상태를 보기 위해 연구진은 원자 3개 두께의 물질인 이셀레나이드 텅스텐(WSe2)의 단일 층과 결합된 금 나노튜브로 만들어진 작은 광학 공동을 만들었습니다. 이 구조는 어두운 엑시톤의 밝기를 300,000배나 증가시켜 이를 명확하게 관찰할 수 있게 하고 동작을 정밀하게 제어할 수 있게 했습니다.

CUNY 대학원 센터 물리학과의 저명한 아인슈타인 교수이자 CUNY 대학원 센터(CUNY ASRC) 첨단 과학 연구 센터의 포토닉스 이니셔티브 창립 이사인 수석 연구원인 Andrea Alù는 “이 연구는 우리가 이전에 도달할 수 없었던 가벼운 물질 상태에 접근하고 조작할 수 있다는 것을 보여줍니다.”라고 말했습니다. “이 숨겨진 상태를 마음대로 켜고 끄고 나노 수준의 해상도로 제어함으로써 감지 및 컴퓨팅을 포함한 차세대 광학 및 양자 기술을 혁신적으로 발전시킬 수 있는 흥미로운 기회를 열었습니다.”

숨겨진 양자 상태의 전기 및 자기 제어

연구팀은 또한 이러한 암흑 엑시톤이 전기장과 자기장을 사용하여 전환되고 조정될 수 있음을 시연했습니다. 이러한 수준의 제어는 온칩 포토닉스, 고감도 검출기 및 보안 양자 통신을 위한 새로운 설계를 지원할 수 있습니다. 중요한 것은 이 방법이 재료의 원래 특성을 보존하는 동시에 가벼운 물질 결합에서 기록적인 개선을 달성한다는 것입니다.

제1저자인 Jiamin Quan은 “우리의 연구는 이전에 한 번도 관찰된 적이 없는 스핀이 금지된 새로운 암흑 엑시톤 계열을 밝혀냈다”고 말했다. “이 발견은 시작에 불과합니다. 2D 재료에 숨겨진 다른 많은 양자 상태를 탐색할 수 있는 길을 열어줍니다.”

플라즈모닉스의 논쟁 해결

이번 발견은 또한 플라즈몬 구조가 가까이 배치되었을 때 근본적인 특성을 변경하지 않고 암흑 엑시톤을 증폭시킬 수 있는지에 대한 오랜 질문을 다루고 있습니다. 연구진은 나노미터 두께의 질화붕소 층으로 만들어진 플라즈몬-여기자 이종구조를 설계함으로써 이 문제를 해결했는데, 이는 새로 확인된 암흑 여기자를 밝히는 데 필수적인 것으로 입증되었습니다.

이 연구는 공군 과학연구실, 해군연구실, 국립과학재단의 지원을 받았습니다.