자유시간

부착된 물방울이 마치 구처럼 표면에서 굴러가는 현상인 ‘발수’는 자동차 바디와 우산 등의 방수성능 향상 등에 응용되고 있습니다. 핀란드 아르트 대학의 사카리 레피코 씨 등의 연구팀이 기존의 발수소재보다 물방울이 부착하지 않고 거의 마찰 없이 물방울이 표면에서 미끄러지는 소재를 개발했습니다.

Droplet slipperiness despite surface heterogeneity at molecular scale | Nature Chemistry
https://www.nature.com/articles/s41557-023-01346-3

Researchers create the most water-repellent s | EurekAlert!
https://www.eurekalert.org/news-releases/1005284

레피코 씨의 연구팀은 특별히 설계된 장치를 이용하여 실리콘 소재에 대해 '자기조직화 단분자막(SAM)'이라는 불과 분자 하나 두께의 얇은 층을 공유결합하여 표면에 막을 형성했습니다. 구체적으로는 옥틸트리클로로실란이라는 화학물질을 증착장치를 이용해 실리콘 소재에 분사하여 SAM층을 만들어 내는 것입니다. 실리콘 소재의 표면에 형성된 SAM층은 실리콘 표면과 물방울 사이에서 윤활제의 역할을 하며 물방울을 튕기는 성질을 가집니다.

레피코 씨는 “우리의 연구는 분자적으로 불균일한 표면을 나노미터 수준으로 만든 최초의 연구”라고 설명했습니다.

연구팀은 또한 편광해석 장치를 이용하여 막의 형성 상태를 상세하게 관찰했습니다. 또 증착장치의 온도나 수분량, 부착시키는 시간 등의 조건을 조정하여 형성되는 막의 피복률을 변화시켰습니다. 그 결과 부착시키는 시간을 짧게 하고 SAM의 피복률을 낮게 하면 물방울이 소재에 친숙해져 흐르기 쉬워지는 친수성이 높아지는 것을 알게 되었습니다. 한편 장시간 물질을 부착시키면 물방울이 입상이 되어 굴러 떨어지기 쉬워지는 것으로 나타났습니다.

레피코 씨는 “이번 실험결과는 SAM의 피복률이 낮거나 높을 때에도 표면의 물방울 미끄럼이 강화됨을 보여주고 있다"며 "이 기술은 파이프 내의 열전달이나 얼음의 제거, 흐림 방지, 작은 액적을 부드럽게 움직일 필요가 있는 마이크로 유체공학, 부착된 오염물을 쉽게 떨어뜨릴 수 있는 셀프 클리닝 표면을 만드는 데 도움이 될 수 있습니다. 앞으로는 내구성을 높이면서 실용화를 위한 기초적인 연구를 실시해 나갈 예정”이라고 설명했습니다.

나노구조의 유리에 펨토초 레이저로 5차원(5D) 구조의 디지털 데이터를 기입할 수 있고 백억 년 이상 데이터를 아카이브할 수 있는 '5차원 데이터 스토리지'를 사우샘프턴 대학이 개발했습니다.

Eternal 5D data storage could record the history of humankind | University of Southampton
http://www.southampton.ac.uk/news/2016/02/5d-data-storage-update.page

Eternal 5D data storage could record the history of humankind | Optoelectronics Research Centre | University of Southampton
http://www.orc.soton.ac.uk/962.html

사우샘프턴 대학 광전자공학연구센터(ORC)의 과학자가 개발한 5차원 데이터 스토리지는 나노구조 유리에 5차원의 디지털 데이터의 기록 및 검색 프로세스를 펨토초 레이저로 기록하는 것으로, 1000도까지의 내열성을 가지며 360TB의 데이터를 실온에서 사실상 무기한으로 보관할 수 있고 190도의 고온 환경 아래에서도 138억 년 이상 데이터를 보관 가능하다는 것. 매우 뛰어난 안정성과 안전성의 휴대용 메모리의 등장에 국립공문서관·박물관·도서관 등 대형 아카이브를 가지는 조직의 정보 유지에 크게 도움이 될 수 있다고 기대되고 있습니다.

Fabrication process for 5D optical storage - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=OP15blgK5oU

5차원 데이터 스토리지에 가장 처음 세계인권선언(UDHR)의 사본을 인코딩했는데, 이러한 기술의 발전은 인류의 문명 마지막 날까지 축적한 인류의 기술과 정보를 안전하게 보관할 수 있을 것으로 주목받고 있습니다.

Project Silica는 2023년까지 100제타바이트 이상의 데이터를 클라우드에 저장하는 것을 목표로 스토리지 시스템의 구축과 기술을 근본적으로 재검토하는 Microsoft의 프로젝트입니다. 2019년에는 영화 '슈퍼맨'을 손바닥 사이즈의 석영 유리판에 보존하는 데 성공했는데, 2023년 10월에는 용량이 100배 이상인 7TB까지 성장했고 보존할 수 있는 수명도 1000년에서 10,000년까지 연장된 것으로 발표되었습니다.

Sealed in glass – Microsoft Unlocked
https://unlocked.microsoft.com/sealed-in-glass/

Microsoft's glass data storage system saves terabytes for 10,000 years
https://newatlas.com/computers/microsoft-project-silica-glass-data-storage-10000-years/

책이나 기존의 광학 미디어는 침수나 화재에 의해 심한 손상을 입어 귀중한 역사적 기록이 없어질 우려가 있습니다. 또한 클라우드 서비스에서 사용되고 있는 하드디스크는 3년~5년, 자기테이프는 5년~7년에 소모되어 버리기 때문에 정기적으로 교환할 필요가 있어서 유지비용은 방대합니다. 따라서 Project Silica는 단단한 석영 유리 내부에 나노스케일 층을 생성하여 유리에 데이터를 인코딩합니다. 유리는 열이나 물에도 강하고 자력으로 손상되지 않는 것에 더해 열화하기 어려우며 기입도 일순간으로 끝나기 때문에 저비용화에도 연결된다고 Microsoft는 주장했습니다.

2019년에는 Project Silica의 개념실증 실험으로서 파일사이즈 75.6GB의 영화 '슈퍼맨'의 필름 데이터를 75mm×75mm×2mm라는 손바닥 사이즈의 석영 유리판에 보존했고 다시 읽는 데 성공했습니다.

2023년 10월에는 새롭게 작은 유리판에 몇 테라바이트의 데이터를 보존할 수 있게 된 것을 Microsoft가 발표했습니다. Microsoft Research의 Project Silica팀과 협력하는 벤처그룹인 Elire는 세계의 음악유산을 보호하기 위한 Global Music Vault 활동에 기술을 제공했습니다. 결과적으로 손바닥 크기의 유리판에 13년간 출시하는 음악에 해당하는 약 175만 곡을 보존하는 데 성공했다고 합니다.

Project Silica에 참여하는 마이크로소프트의 엔지니어인 앤트 로우스트론 씨는 “자기기술의 수명은 유한하기 때문에 새로운 세대의 미디어에 복사를 계속해야 합니다. 하드디스크 드라이브의 수명은 5년, 자기테이프는 10년으로 복사해야 하는데 그것은 어렵고 매우 지속 불가능합니다.”라고 지적했습니다. Project Silica의 리서치 디렉터로 일하는 Richard Chart 씨는 "Project Silica의 기술을 통해 데이터가 변경되지 않고 안전하다는 것을 인식하면서 데이터를 쓸 수 있습니다. 이는 지속 가능한 데이터 스토리지에서 중요한 전진”이라고 보았습니다.

데이터는 4단계 공정을 거쳐 유리에 저장됩니다. 우선 초고속 펨토초 레이저에 의한 유리판에 데이터를 기입합니다.

그런 다음 컴퓨터 제어 현미경으로 유리판에서 데이터를 읽습니다.

3단계째에 데이터의 디코드 처리를 실행. 그리고 마지막으로 데이터를 저장한 유리판을 라이브러리에 저장합니다. 한 번 유리에 저장된 데이터는 읽을 수 있지만 변경할 수는 없습니다.

기술계 미디어의 New Atlas는 Project Silica에 대해 "이 아이디어는 흥미롭지만 진지한 보존활동이라기보다는 홍보행위와 같은 인상이 있다는 것을 인정하지 않을 수 없다"고 지적했습니다.

그러나 유리판의 데이터 스토리지의 큰 단기적인 장점으로서 “많은 데이터센터가 온라인의 유지 및 냉각에 에너지를 대량으로 소비하고 있는데 유리판 스토리지는 이를 크게 줄일 수 있습니다. 유리판은 실온에서 안정적이며 에너지가 필요 없이 데이터를 유지할 수 있습니다."라고 보았습니다.

불이 붙으면 물을 뿌리고 게임이나 애니메이션 등의 연출로 인해 불이 물에 약하다는 이미지를 가지고 있는 사람은 많습니다. 그런데 화재전문가는 “불이 물에 약하다는 이미지는 잘못되었다”고 지적했습니다.

How does water put out fire? | Live Science
https://www.livescience.com/chemistry/how-does-water-put-out-fire

미국 북서부의 몬타나주에 있는 미 삼림국 Missoula 화재과학연구소에 소속된 연구자인 사라 마카리스터 씨는 “물은 매우 뛰어난 방열판으로, 흡열을 통해 불에 작용하고 있다”고 물이 불을 끄는 메커니즘을 설명했습니다.

불이 계속 타오르려면 '연료', '산소', '열원'이라는 3가지가 필요합니다. 캘리포니아대학 버클리교에서 연소를 전문으로 하는 마이클 골너 씨에 따르면 이 중 물은 주로 연료에 작용한다고 합니다. 연료가 나무, 잔디 또는 건물이라도 불이 붙을 때 불의 열이 연료에 있는 물질을 증발시켜 가스로 바꾸면 불이 계속 타오르게 됩니다. 거기에 열용량이 큰 물을 뿌리면 물이 연료와 합쳐져 증발에 필요한 에너지가 많아집니다. 그 결과 불이 연료를 증발시키는데 에너지를 투입하지 못하게 되어 계속 불탈 수 없게 됩니다.

또한 연료를 냉각하면 불이 연료를 증발시키는 데 필요한 온도를 높이는 효과도 있습니다. 골너 씨에 의하면 스프링클러의 효과는 이것을 노린 것이며 향후 연료가 될 것을 적시고 온도를 낮추어 불이 퍼지지 않도록 하고 있다고 합니다. 그 외 물을 안개 형태로 살포해 실내를 물방울이 과열되어 수증기가 되는 과정에서 산소를 수증기로 치환해 불꽃을 침정화한다는 소화시스템도 존재하고 있습니다.

물은 불에 직접 작용하는 것은 아니지만 소화제로서는 유효하다고 말할 수 있습니다. 그러나 어디까지나 불이 물에 약하다는 것은 아니기 때문에 화력이 너무 강한 경우나 산불 등 대규모 화재에서는 물은 불의 확대를 늦추고 시간을 벌 수밖에 없습니다. 골너 씨는 “연료를 물리적으로 제거하고 흙으로 덮는 것이 화재활동을 멈추는 가장 좋은 방법”이라고 설명했습니다.

영국 케임브리지대학의 연구팀이 '양자얽힘'이라는 현상을 이용함으로써 양자역학 세계에서 25%의 확률로 과거에 일어난 사건을 미래에서 바꿀 수 있는 시뮬레이션에 성공했다고 발표했습니다.

양자얽힘이란 양자역학 분야에서 양자의 특이적인 성질에 의해 고전역학에서는 설명할 수 없는 '현실에서는 일어날 수 없는 강한 상관관계를 가리킵니다. 양자얽힘에서는 현실세계처럼 '어떤 사건의 원인이 최종적인 결과를 이끌어내는 것'뿐만 아니라 '사건의 결과가 그 원인에 간섭한다'는 상식으로는 생각할 수 없는 현상을 볼 수 있는 경우가 있다는 것. 해외미디어 The Debrief는 양자얽힘에 대해 “양자입자의 어떤 기본적인 성질이 2개 이상의 입자에서 공유되는 경우 한 입자에서 그 성질을 변화시키면 다른 입자에서도 같은 변화가 일어나는 현상”이라고 설명했습니다.

이번에 캠브리지대학의 니콜 할판 씨 연구팀은 2개 입자의 얽힘을 시뮬레이션해 양자얽힘이 가지는 모호함에 대해 검토를 실시했습니다.

연구팀의 시뮬레이션 결과, 아래 그림과 같은 양자얽힘 회로가 형성되었습니다. 연구팀에 따르면 초기단계인 'T1' 시점의 한 양자는 당초 평소대로 미래를 향해 진행되었습니다. 그러나 어느 시점 'T2'에서 갑자기 과거를 향해 진행하기 시작했고 그 후 'T3', 'T4'에서는 T1의 시점을 향해 다시 미래를 향해 진행합니다. T1의 시점을 넘은 양자는 그 후에도 미래로 진행된다는 것.

연구팀의 데이비드 슈클 씨는 “우리 연구팀은 이 회로를 사용하여 과거에 일어난 액션을 소급적으로 변화시켜 최종결과가 원하는 대로 되도록 시뮬레이션을 실시했다"고 설명했습니다. 최종적으로 연구팀은 약 25%의 확률로 미래에서 실시한 관측에 의해 과거의 측정결과를 변경시키는 과거의 재작성에 성공했습니다. 그러므로 연구팀은 “과거에 일어난 사건을 미래에 바꾸는 것은 물리학의 법칙을 위반하지 않는다”고 결론지었습니다.

슈쿨 씨는 이 결과에 대해 선물을 주는 사례로 들어 “어떤 사람에게 선물을 주고 싶지만 상대의 손에 닿기 위해서는 3일이 걸릴 경우, 확실히 3일 후에 전달하기 위해서는 반드시 1일째에 발송해야 합니다. 물건의 목록을 2일째에 공개하면 선물한 선물이 정말로 상대가 원하는 것이 아니어도 변경할 수 없습니다. 그러나 이번과 같은 양자얽힌 구조를 사용하면 계산상 약 25%의 확률로 이미 송부했을 선물의 내용을 변경할 수 있게 됩니다”라고 설명했습니다.

또한 슈클 씨는 “이번 결과는 어디까지나 시뮬레이션에 의해 얻은 결과이기 때문에 시스템을 재작성함으로써 타임 트래블에 대한 시뮬레이션의 성공확률을 더욱 올리는 데 도움이 될 수 있다”고 전망했습니다.

한편 연구팀은 이번 결과에 대해서는 단순한 이론상의 결과이기 때문에 SF 작품과 같은 시간여행은 어렵다고 합니다. 슈클 씨는 “우리 연구팀은 타임머신 개발을 목표로 하는 것이 아니라 양자역학의 기초를 깊이 파고 있습니다. 이번 시뮬레이션처럼 과거의 사건을 실제로 바꾸는 것은 어렵지만 과거의 문제를 지금 수정하면 더 나은 미래를 상상할 수 있을 것”이라고 보았습니다.

출처
- Phys. Rev. Lett. 131, 150202 (2023) - Nonclassical Advantage in Metrology Established via Quantum Simulations of Hypothetical Closed Timelike Curves
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.150202

- Scientists Successfully Simulate Backward Time Travel with a 25% Chance of Actually Changing the Past - The Debrief
https://thedebrief.org/scientists-successfully-simulate-backward-time-travel-with-a-25-chance-of-actually-changing-the-past/

화산재에 묻힌 고대 로마의 도시에서 발견된 고문서를 해독하는 상금 25만 달러의 콘테스트 'Vesuvius Challenge'가 2023년 3월 15일부터 시작되었는데 2023년 10월 12일 마침내 첫 단어를 해독한 사람이 나타났습니다.

First word discovered in unopened Herculaneum scroll by 21yo computer science student | Vesuvius Challenge
https://scrollprize.org/firstletters

There should be more cash prizes for solving historical mysteries
https://resobscura.substack.com/p/there-should-be-more-cash-prizes

해독이 진행되고 있는 것은 이탈리아의 폼페이와 함께 세계유산에 등록되어 있는 헬크라네움의 도시유적에서 발굴된 고대 로마의 파피루스 두루마리입니다

고온의 화산재에 묻힌 이 두루마리는 탄화되어 부서져 열어 읽으려고 하면 두루마리가 파손되어 버립니다. 이에 해독기술에 뛰어난 인재를 모집해 최신 기술을 사용해 두루마리에 쓰인 문자를 해독하는 'Vesuvius Challenge'가 켄터키 대학의 브렌트 쉴즈 박사 등에 의해 이루어지고 있습니다.

이 챌린지에서는 '풀스크롤'과 '프래그먼트'라고 불리는 2개의 두루마리의 해독을 실시하는 것이 목표. 2023년 내에 두루마리 내의 연속 문장을 적어도 4개 해독하면 70만 달러(약 10억 원)가 주어집니다. 두루마리의 해독은 어려움을 겪었지만 2023년 10월 12일 마침내 '프래그먼트'에 기록된 첫 단어가 밝혀졌습니다.

해독에 성공한 루크 패리터 씨는 공개된 프래그먼트의 CT스캔을 사용하여 기계학습 모델의 훈련을 반복했습니다. 기계학습 모델의 트레이닝과 개선을 반복하면서 두루마리에 사용된 잉크가 남긴 특유의 질감을 특정하는 데 성공했습니다. 잉크의 질감에 대해 패리터 씨는 '균열 모양'이라고 불렀습니다.

훈련을 반복하는 가운데 모델은 점차 개선되어 눈에 보이지 않는 새로운 균열 모양이 발견되었다는 것. 결국 AI는 'πορφυραc'라는 단어를 발견했습니다. 발견의 보고를 받고 쉴즈 씨의 팀은 이 πορφυραc라는 단어의 의미의 특정을 실시했고 이 단어가 '보라색'이라는 단어인 것을 밝혀냈습니다.

최초로 단어의 보고한 패리터 씨에게는 4만 달러가 수여되었습니다. 또한 패리터 씨보다 늦었지만 비슷한 접근법으로 보다 명확한 결과를 선보인 유세프 네이더 씨에게는 1만 달러가 수여되었습니다. 아래의 이미지는 네이더 씨가 제공한 것입니다.

쉴즈 씨는 "이 πορφυραc라는 단어는 우리가 이번 두루마리의 해독 노력을 시작하여 처음 발견된 문자로, 이 두루마리는 왕족이나 부, 또는 조소에 관한 이야기로 보인다”고 추정했습니다.

네이더 씨는 추가로 4행분의 텍스트가 적힌 두루마리의 화상을 공개했고 이것을 바탕으로 많은 연구팀이 문자의 의미를 파악하기 위해 연구 중이라고 합니다.

2개의 자석을 같은 극끼리 마주 보며 정렬하면 자석은 서로 반발하고, 한쪽 자석을 다른 자석 아래에 배치하면 한쪽 자석을 떠올릴 수 있습니다. 그러나 단지 자석을 늘어놓는 것만으로는 균형이 불안정하고 부상한 자석을 유지하는 것은 어렵습니다. 그 때문에 자석의 부상을 안정시키는 수단으로써 초전도나 servo mechanism, 전자유도 등의 효과가 존재했는데, 2021년에 발견된 고속 회전하는 로터에 자석을 달아 다른 자석에 접근하면 회전하면서 부상한다는 반응은 지금까지의 자기부상에서는 발견되지 않은 방식이었습니다.

Physics - How Rotation Drives Magnetic Levitation
https://physics.aps.org/articles/v16/177

Phys. Rev. Applied 20, 044036 (2023) - Magnetic levitation by rotation
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.20.044036

리니어 모터카를 비롯한 자기부상식 철도나 자기 베어링, 플라이휠 등의 자기를 이용하여 물체를 부유시키는 시스템은 일반적으로 자기장을 안정시키는 '피드백 메커니즘'을 사용하고 있습니다. 또 레비트론이나 U-CAS와 같은 완구는 자석으로 만들어진 프레임을 자성판 위에서 회전시켜 자이로 효과에 의해 프레임이 부상한다는 구조를 이용하고 있습니다.

함디 유커 씨는 새로운 자기부상에 관한 실험을 했습니다. 우선 고속 회전하는 공구인 '로터' 앞에 자석의 N극과 S극 사이의 축이 모터의 회전축에 수직이 되도록 자석을 장착했습니다.

아래의 링크에서 영상으로 확인 가능합니다.

永久磁石を高速回転させると別の永久磁石を回転浮上させることができる
https://twitter.com/i/status/1714256482697625741

또 토대 위에는 '플로터'라는 또 다른 자석이 놓였습니다.

로터를 켜고 자석을 회전시켜 플로터 위에 로터를 가깝게 접근시킵니다.

그러자 플로터는 회전하면서 로터 팁의 자석에서 몇 센티미터 떨어진 공간에 떠올랐습니다.

로터를 다양한 각도로 움직이지만 플로터는 떨어지지 않고 로터 팁의 자석의 움직임에 따라옵니다.

로터의 전원을 끄면 떠올랐던 플로터는 떨어졌습니다.

유커 씨의 실험 발표 이후 많은 과학자가 '플로터가 안정적으로 회전하는 이유'에 대해 연구했지만 그 메커니즘을 파악할 수 없었습니다.

하지만 덴마크 공과대학의 라스무스 비크 씨 연구팀은 시판 네오디뮴 자석과 접착제, 전동공구를 이용해 가정에서도 실험 가능한 환경을 설계했습니다. 연구팀은 직경 약 19mm의 구형 자석을 로터에 장착하고 회전 속도를 7500~1만 7000rpm으로 변화시켰습니다.

플로터에는 직경 5~30mm의 다양한 구형 자석이 사용되었고 연구팀은 기록장치와 운동추적 소프트웨어를 사용하여 부상한 로터의 운동에 대해 측정을 했습니다.

측정 결과 연구팀은 “플로터가 회전을 시작하면 로터에 부착된 자석과 동기화되어 안정적으로 부유할 수 있었고 플로터는 몇 도의 약간의 기울기는 있었지만 N극과 S극의 회전축이 로터의 자석에 대해 수직을 향했습니다. 극의 축이 거의 수직을 향하는 이 배치는 통상 불안정해질 것이지만 이번 실험에서는 안정적으로 부상했습니다"라고 보고했습니다.

또한 일반적으로 불안정해지는 극의 축이 수직을 향하는 것에 대해 연구팀은 “로터로부터 발생하는 회전 자기장이 플로터에 토크와 회전력을 주고, 그 결과 자이로 작용이 작용하고 극의 축이 수직을 향한다"며 "로터의 회전에 수반하는 자기장의 변화에 의해 플로터에 걸리는 힘이 변화해 혼자 부상한다"고 추측했습니다.

유커 씨는 “로터를 움직이는데 필요한 전기가 매우 작기 때문에 이번 플로터의 부상에 영향을 미쳤을 가능성은 적다”면서 “전기 전도체를 자기장 내에서 움직였을 때 때때로 발생하는 와전류를 고려하여 시뮬레이션을 함으로써 결과를 개선할 수 있을 것”이라고 보았습니다.

기술계 기업인 No-Touch Robotics의 마르셀 슈크 CEO는 “이번 자석이 회전하는 시스템은 기존의 자기부상을 능동제어하는 시스템보다 간단하고 또한 유도전류의 구조를 이용한 시스템보다 에너지 손실이 적다고 생각됩니다. 이번 시스템은 원자의 자기장 트랩이나 자력의 조작에 응용할 수 있을 가능성이 있습니다"라고 평가했습니다.

우주에는 수십억 개의 화학물질이 존재하고 지금까지 인간이 특정할 수 있었던 것은 그 중 불과 1%라고 추정되고 있습니다. 지금까지 발견되지 않은 새로운 화학물질이 온실가스 문제의 해결책이 되거나 페니실린과 같이 의학분야의 진보를 일으킬 가능성이 기대되고 있습니다.

Only 1% of chemical compounds have been discovered – here's how we search for others that could change the world
https://theconversation.com/only-1-of-chemical-compounds-have-been-discovered-heres-how-we-search-for-others-that-could-change-the-world-211302

1869년 러시아의 화학자 드미트리 멘델레예프가 원소주기율표를 발명한 이후 과학자들은 다양한 원자를 발견해 왔습니다. 현대에는 핵융합 등을 이용한 물질의 탐색이 이루어지고 있으며 2010년에는 원자번호 117의 합성원소인 테네신(Tennessine)이 발견되었습니다.

그러나 우주에 존재하는 것은 단일한 원자가 아니라 수소원자와 산소원자의 화합물인 물 등 여러 원자가 조합된 다양한 화학물질이 존재하고 있습니다. 노팅엄 토렌트 대학의 매튜 아디코트 씨에 따르면 화학자들은 새로운 화학물질을 만들기 위해 매일 연구를 하고 있다고 합니다.

질소(N2)나 산소(O2)와 같은 2개의 원자로 이루어진 화합물은 '이원자 분자'라고 불립니다. 아디코트 씨에 따르면 화학자팀이 하나의 화합물을 만드는데 필요한 시간은 약 1년으로 생각되고 있으며 이론상 6903종의 분자가 존재하는 2원자 분자를 모두 생성하기에는 엄청난 시간이 걸립니다.

또한 H₂0나 C0₂ 등 3개의 원자가 합쳐 형성되는 '3원자 분자'는 약 160만 종이 존재한다고 생각되고 있으며 4원자, 5원자처럼 원자의 수가 증가함에 따라 지수함수적으로 조합의 수가 증가합니다. 또한 화합물의 구조와 안정성에 따라 탐색 및 제조공정이 어려워질 수 있습니다.

그럼에도 불구하고 일부 화학자들은 자연계의 규칙에서 존재할 수 없는 화합물을 생성하기 위해 노력하고 있으며, 지금까지 심우주 상태를 재현할 수 있는 특수한 실험시설로 일반적으로는 다른 원자와 결합하지 않는 희귀가스 원자의 화합물인 '아르곤불소수소화물(Argon fluoride hydride)'을 만들어내는 데 성공했습니다.

알려진 화합물로부터 알려지지 않은 새로운 화합물을 만드는 방법으로서 아디코트 씨는 기존 화합물에 포함된 원자에 변화를 가하는 것과 기존의 화학반응을 일으킬 때에 새로운 원료를 첨가하는 것을 제시했습니다. 전자는 알려진 화합물에 원자를 추가, 제거 또는 교체하여 화합물의 특성을 약간 변경시키는 방법이지만, 후자는 유사한 화학반응을 사용하지만 결국 생성되는 화합물이 완전히 다를 수 있다고 합니다.

그러나 이 두 가지 방법 모두 '바탕이 되는 화합물'이 필요합니다. 따라서 미지수의 화합물을 무에서 만들 수 없습니다. 거기서 화학자는 새로운 화합물 발견의 힌트로 자연관찰을 실시했습니다. 영국의 세균학자인 알렉산더 플레밍은 1928년에 배양접시에 부착된 푸른곰팡이가 박테리아의 증식을 막는 현상을 발견했고 그 후, 이 푸른곰팡이가 생산한 화학물질을 '페니실린'이라고 명명해 이후의 의학 발전에 큰 영향을 주었습니다.

1945년에는 영국의 화학자 도로시 호지킨이 페니실린의 화학구조를 특정했고 구조의 일부에는 지금까지 거의 예상되지 않았던 정방형상으로 원자가 배치되는 구조가 있는 것이 판명되었습니다. 그러나 페니실린을 인간이 처음부터 만들어내는 것은 어려워서 현대에도 곰팡이 등을 배양해 추출하는 것이 간단하고 저렴하다고 합니다.

자연계에는 지금까지 인간이 만들어낼 수 없었던 다양한 화합물이 존재할 가능성이 있으며 새로운 화합물을 탐구하는 화학자는 자연계로부터 영감을 받아 연구를 계속하고 있습니다.

미국의 사우스 캐롤라이나주에서 매운 고추의 개발을 하는 에드 칼리 씨가 생산한 매운 고추 'Pepper X'가 매운맛의 단위인 스코빌 지수에서 지금까지 세계 제일로서 인정되고 있던 캐롤라이나 리퍼를 대폭 뛰어넘어 세계 제일 매운 고추로서 기네스 세계기록에 인정되었습니다. 칼리 씨는 처음 Pepper X를 먹었을 때 3시간 이상 괴로움을 느낀 다음 경련까지 일으켰다고 합니다.

Pepper X named hottest pepper in the world by Guinness | AP News
https://apnews.com/article/pepper-x-carolina-reaper-guinness-ed-currie-9c28d8cace1db200e1f9339e783cfbf3

Hot stuff: Pepper X is named world’s spiciest by Guinness World Records | Guinness World Records | The Guardian
https://www.theguardian.com/world/2023/oct/17/pepper-x-spiciest-guinness-world-records

사우스 캐롤라이나주에서 매운 고추의 개발·재배를 하는 칼리 씨는 대학생 무렵부터 취미로서 고추의 재배를 시작했고 이윽고 풀타임으로 재배를 하게 되었습니다. 지금까지 기네스 세계기록에 세계 제일 매운 고추로 인정되었던 캐롤라이나 리퍼도 칼리 씨에 의해 개발된 것입니다.

새롭게 2023년 10월 9일 개발한 Pepper X라는 고추가 캐롤라이나 리퍼를 웃도는 세계 제일 매운 고추로서 기네스 세계기록에 인정되었습니다. 칼리 씨는 이전부터 캐롤라이나 리퍼를 웃도는 매운 고추를 개발했고 Pepper X라는 명칭도 알려져 있었지만 정식으로 기네스 세계기록에 인정된 것은 이번이 처음입니다.

고추의 매운맛은 스코빌 지수라는 수치로 나타내며 매운 성분의 캡사이신을 거의 포함하지 않는 피망의 스코빌 지수는 0, 할라피뇨는 5000, 청양고추는 최대 약 12000스코빌(보통 4000~7000스코빌), 하바네로는 약 30만 정도라고 합니다. 캐롤라이나 리퍼는 이것들을 크게 웃도는 164만인데, 윈스롭 대학에서 측정된 Pepper X의 스코빌 지수는 평균 269만으로 캐롤라이나 리퍼를 100만 이상 웃돕니다.

참고로 경찰관이 휴대하는 호신용 스프레이는 스코빌 지수가 약 160만입니다.

Pepper X: The World's Hottest Pepper - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=RDt7eRAiF5g

Pepper X의 외형은 캐롤라이나 리퍼와 비슷하지만 캐롤라이나 리퍼는 선명한 붉은 색인 반면 Pepper X는 갈색과 녹색이 섞인 것 같은 색조인 것이 특징적.

Pepper X는 미시간의 친구가 보내준 잔혹할 정도로 매운 고추와 캐롤라이나 리퍼를 조합한 것으로 생물학적으로 캐롤라이나 리퍼와는 다른 종인 것이 증명되었다고 것. 칼리 씨는 “우리는 유전학, 화학, 식물학을 다루었다”고 밝혔습니다.

덧붙여 캐롤라이나 리퍼는 마음대로 재배하는 것이 허가되고 있어서 1만 건 이상의 무허가 제품이 시장에 넘쳐나고 있습니다. 이 경험을 바탕으로 Pepper X는 지식재산권을 엄격하게 보호하여 직원과 가족이 충분한 이익을 얻기 위해 시장에 핫소스 형태로만 유통될 예정입니다.

칼리 씨는 “다른 사람들은 캐롤라이나 리퍼로부터 돈을 벌었습니다. Pepper X는 우리의 고추이며 이것으로 세상을 정복할 것”이라며 현재 재배하는 고추 중에는 Pepper X보다 한층 더 매운 것도 있는 모양입니다.

인간에게 가장 친숙한 액체는 '물'이다. 지구 표면의 3분의 2 정도를 덮고 있으며 그 안에서 생명은 탄생해 진화를 이루어 왔다. 물 없이 생명은 살 수 없다. 물은 우리 생물의 주위에 있다. 바다, 강, 구름, 비, 토양, 공기뿐만 아니라 체내에도 많은 물이 다양한 형태로 존재하고 있다. 그러나 어디에라도 존재하고 있다고 해서 주목할 만한 특징이 없는 흔한 물질이라는 것은 아니다. 물에는 실로 많은 특이성이 있다. 그리고 그 물의 특이성에 의해 우리 생물은 생존하고 있다.

첫째, 물은 일반적인 물질과 달리 액체에서 고체가 되면 밀도가 작아진다. 이것은 얼음이 물에 뜨는 것을 보면 알 수 있다. 얼음이 물에 뜨는 것은 당연하다고 생각하는 사람이 있을지도 모른다. 그러나 일반적으로 액체보다 고체의 밀도가 낮아지는 물질은 매우 드물다. 많은 물질은 고체가 되면 밀도는 커진다. 그리고 이 물의 특이성에 의해 생물은 탄생할 수 있었던 것이다. 왜냐하면 만약 물이 보통의 물질과 같이 고체가 되었을 때 밀도가 커진다면 겨울일 때 표면에서 생기는 얼음은 바닥에 가라앉고 표면에 남겨진 마지막 물이 얼 때에는 수중의 생물도 모두 동사해 버린다는 것을 의미한다. 수중에서의 생물의 진화가 매우 일어날 수 없었을 것이 틀림없다.

둘째, 물의 비열은 매우 크다. 물은 따뜻해지기 쉽고 식히기 어려운 액체라는 것이다. 물은 대기를 구성하는 분자 중 상온에서 액체가 되는 유일한 물질이다. 1그램의 물의 온도를 1번만 올리는데 필요한 열량(비열)은 1칼로리인데 모든 물질 중에서 가장 큰 것이다. 또한 얼음을 녹이기 위해서는 그램당 80칼로리라는 큰 열량(융해열)을 필요로 하고, 물을 발열시키기 위해서는 그램당 536칼로리라는 예외적으로 큰 열량(증발열)을 필요로 한다. 증발열이 크기 때문에 열을 가해도 좀처럼 증발하지 않는다. 실제로 물은 같은 정도의 분자량을 가진 액체 중에서는 뛰어나 높은 비등점을 가지고 있다. 물의 상태변화에 큰 열량을 필요로 한다는 것은 물이 큰 축열장치로서 작용하는 것을 의미한다. 물의 비열이 크다는 특이성은 지구 기후의 온난화와 안정화를 가져왔고 생명체의 기능을 유지하기 위해 필요한 미묘한 체온조절을 가능하게 했다.

셋째, 물의 용해능은 매우 높다. 물은 많은 물질을 녹일 수 있다. 소금과 같은 이온성 물질이나 유기물도 녹일 수 있다. 물만큼 많은 물질을 녹일 수 있는 액체(용매)는 그다지 없고, 특히 무기화합물을 이온으로 분해하여 녹이는 힘은 압도적이다. 물은 또한 결정수 또는 수산기의 형태로 다른 결정 및 미네랄과 결합할 수 있다. 이것은 상당히 안정적이어서 결정수는 200℃ 정도, 수산기가 된 것은 600℃ 정도 가열하지 않으면 분해하지 않는다. 이 특이성으로 바다에는 생물에 필요한 많은 영양소가 녹아 생물이 탄생할 수 있었다. 또한 체내에 흡수된 영양이 흡수되는 과정에서도 물의 용해능이 필요하다. 흡수된 영양소는 혈액이나 체액에 녹아 몸에 운반된다. 몸의 말단까지 영양소가 퍼지는 것도 물의 특이성 덕분이다.

물은 가장 흔한 물질 중 하나로 지구에 널리 분포되어 있다. 그러나 다른 물질과 비교할 때 물은 많은 특이성을 가지고 있다. 보편성과 특이성을 가진 물이 모든 생명의 존재를 지원하고 있으며, 현재의 지구 그 자체도 물에 의해 초래되었다고 해도 좋을 것이다. 너무 가까이 있기 때문에 평범하다고 ​​생각하는 물의 다양한 성질이 매우 특이하다는 것을 알고 있다는 것은 배운 사람일지도 모른다. 지금까지 물에 관한 수많은 연구가 이루어졌으며 그 성질과 액체구조도 점차 밝혀졌다. 그럼에도 불구하고 분자 수준의 물의 운동에 대해서는 여전히 많은 수수께끼가 남아 있다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 水の特異性
https://subsites.icu.ac.jp/people/yoshino/NSIIIfinalTakino_A07.html#:~:text=%E7%AC%AC%E4%BA%8C%E3%81%AB%E3%80%81%E6%B0%B4%E3%81%AE,%E3%81%A7%E6%9C%80%E3%82%82%E5%A4%A7%E3%81%8D%E3%81%84%E3%82%82%E3%81%AE%E3%81%A0%E3%80%82

물을 엄청난 온도와 압력에 노출시킴으로써 생성되는 매우 높은 융점을 가진 '초이온 얼음'의 새로운 형태가 확인되었다는 논문이 발표되었습니다. 물이 풍부한 해왕성 등에 존재한다고 추정되는 초이온 얼음의 연구가 진행됨으로써 이러한 행성이 가지는 특성의 이해가 깊어질 것으로 기대되고 있습니다.

Dynamic compression of water to conditions in ice giant interiors | Scientific Reports
https://www.nature.com/articles/s41598-021-04687-6

Strange Form of Ice Found That Only Melts at Extremely Hot Temperatures : ScienceAlert
https://www.sciencealert.com/strange-form-of-ice-found-that-only-melts-at-extremely-hot-temperatures

1988년에 제창되어 2019년에 존재가 확인된 초이온 얼음은 산소원자가 강고한 입방격자에 갇혀 있고 이온화한 수소원자가 마치 금속 내를 흐르는 전자처럼 격자 내를 흐른다는 구조를 가진 물질입니다. 이 구조에 의해 초이온 얼음은 도전성을 가지고 있는 것 외에 융점이 높기 때문에 고온에서도 고체인 채로 유지된다는 특성을 가지고 있습니다.

초이온 얼음은 물이라는 익숙한 물질의 매우 특별한 형태이지만 우주에서 가장 흔한 물의 형태일 수 있으며 천왕성과 해왕성 또는 유사한 태양계외 행성의 내부에도 풍부하게 존재하고 있다고 생각되고 있기 때문에 이런 종류의 행성에 대한 이해를 깊게 하는데 중요시되고 있습니다.

스탠포드 대학의 물리학자인 알리안나 그리슨 씨는 2장의 다이아몬드층에 끼인 물의 조각에 매우 강력한 레이저를 조사하는 실험을 실시했습니다.

그 결과 연속적인 충격에 의해 압력은 200GPa(200만 기압), 온도는 5000K(약 4726℃)까지 상승했습니다. 또 X선 회절에 의해 고온에서 고밀도인 얼음의 결정구조도 밝혀졌습니다.

게다가 이 얼음의 결정은 2019년에 관측된 초이온 얼음과는 다른 새로운 상인 것이 확인되었다고 합니다. 이번에 발견된 얼음 XIX는 체심입방구조(BCC)를 가지고 있어서 2019년에 발견된 얼음 XVIII에 비해 도전성이 향상했습니다.

초이온 얼음의 전도성이 중요한 것은 움직이는 하전입자가 행성의 자기장을 발생시키기 때문입니다. 그리슨 씨는 해왕성의 핵에는 전도성이 다른 2개의 초이온 얼음의 상이 있다고 생각하고 있으며, 특히 이번에 발견된 얼음 XIX와 같은 높은 전도성의 초이온 얼음이 천왕성이나 해왕성에서 관측되고 있는 이상한 다극성 자기장의 발생으로 이어질 것이라고 보았습니다.

아래의 이미지는 그리슨 씨가 예상하고 있는 해왕성 내부의 모습으로, 초이온 고체인 BCC와 면심입방격자구조(FCC)라는 2개의 층을 가지고 있습니다.

그리슨 씨는 논문에서 “물이 풍부한 해왕성형 태양계외 행성의 발견에 의해 행성 내부와 관련된 압력이나 온도조건에서 물의 상도를 더 상세하게 이해할 필요가 드러났다"고 보았습니다.

도시와 고속도로, 공항 근처에 살면 자동차와 항공기에서 발생하는 다양한 저주파 소음에 시달릴 수 있습니다. 그런 소음을 막는 흡음재로서 탁구에 이용되는 탁구공을 이용할 수 있다는 연구결과가 발표되었습니다.

Pingpong Balls Score Big as Sound Absorbers - AIP Publishing LLC
https://publishing.aip.org/publications/latest-content/pingpong-balls-score-big-as-sound-absorbers/

Scientists Find an Awesome Practical Use For Ping Pong Balls : ScienceAlert
https://www.sciencealert.com/scientists-find-an-awesome-practical-use-for-ping-pong-balls

소음은 단순히 두통, 현기증, 난청, 소리에 대한 과민증, 노이로제 등의 건강 피해로 이어질 우려가 있다고 지적되고 있습니다. 또한 비행기와 철도 소음이 심혈관계에 심각한 손상을 일으키는 것으로 알려져 있으며 소음을 방지하는 방법은 심신의 건강을 유지하는 데 중요합니다.

그러나 저주파의 소음은 다양한 요인으로 생기는 데다 고주파의 소음과 비교하면 벽이나 구조물에 의해 막히기 어렵기 때문에 소리를 막는 것이 더욱 어렵다고 합니다. 또한 효과적인 흡음재는 비싼 경우도 많고 일반인이 손에 넣기 어려운 경우도 있습니다.

그래서 프랑스의 릴대학과 그리스의 아테네 국립공과대학의 연구팀은 입수하기 쉬운 탁구공을 이용하여 저주파 소음을 효과적으로 막는 흡음재를 개발했습니다. 릴대학의 물리학자인 로빈 사바토 씨는 “탁구공은 잘 알려진 친밀한 물건이며 전 세계에 많이 존재하고 있어서 저주파 절연 패널 구조를 손쉽게 제작 가능하다”고 설명했습니다.

연구팀은 탁구공을 일종의 헬름홀츠 공명기로 사용했습니다. 헬름홀츠 공명기란 개구부를 가진 용기에 공기를 보내는 것으로, 내부의 공기가 공명(공진)해 소리가 울리는 장치입니다. 헬름홀츠 공명기가 울리는 소리(공진 주파수)는 물체의 용적과 개구부의 면적에 의해 결정됩니다. 헬름홀츠 공명기의 예로는 얇은 입에서 숨을 불어넣으면 소리가 울리는 병과 숨을 불어넣으면 소리가 울리는 휘슬이 있습니다.

헬름홀츠 공명기는 소리를 울릴 뿐만 아니라 공명하는 소리를 중심으로 소리의 운동에너지를 빨아들여 소리를 상쇄하는 특성이 있어서 이것을 이용하여 흡음재로서 이용하는 것도 가능하다는 것. 실제로 음악실 등에 붙여져 있는 유공보드나 흡음패널, 타이어의 홈 등에 헬름홀츠 공명기의 원리가 이용되고 있다고 합니다.

그래서 연구팀은 탁구공에 작은 구멍을 뚫어서 헬름홀츠 공명기처럼 기능하게 만들어 특별히 설계된 컨테이너에 배열한 흡음재를 만들었습니다. 탁구공에는 직경 2mm의 구멍이 5개 뚫어져 있는데 각각의 구멍이 인접하는 탁구공의 구멍과 접속하도록 배치되었습니다.

연구팀이 설계한 컨테이너는 이런 느낌. 연구팀은 탁구공을 배치한 흡음재를 'Acoustic metasurfaces'라고 불렀습니다.

연구팀은 여러 개의 탁구공을 연결하면 공진 주파수가 많아져 소리를 더 많이 흡수할 수 있었다고 보고했습니다. 또 탁구공의 수나 구멍의 수, 구멍의 크기 등을 조정함으로써 Acoustic metasurfaces의 음향 특성을 변경할 수 있다는 점도 확인했습니다.

사바트 씨는 “헬름홀츠 공명기는 주변의 음파를 그 공진 주파수에서 정확하게 파악할 수 있는 독특한 능력을 가지고 있으며, 얇은 목을 통해 환경에 연결된 공동으로 표현할 수 있습니다. 이 연구의 독창성은 두 공명기 사이의 결합효과를 고려하여 두 공진 주파수를 발생시킨 것입니다"라고 설명했습니다.

이번에 개발된 Acoustic metasurfaces는 흡음재뿐만 아니라 음향에 관한 다양한 용도에 응용할 수 있을 가능성이 있다고 합니다.

실용적인 '워프 드라이브(Warp drive)'를 만들기 위해서는 반물질의 존재와 반물질이 반중력을 가져야 한다는 대전제가 필요했습니다. 그런데 유럽원자핵연구기구(CERN)의 연구팀이 반물질을 이용한 실험을 실시한 결과에서 반물질이 중력에 따라 낙하하는 것이 관측되었기 때문에 물리학자 이단 시겔은 “워프 드라이브의 실현 가능성은 사라졌다”고 보았습니다.

Warp drive's best hope dies, as antimatter falls down - Big Think
https://bigthink.com/starts-with-a-bang/warp-drives-best-hope-dies/

19세기 무렵부터 공간은 평탄한 것이 아니라 휘어져 있다는 관점이 수학자나 물리학자에 의해 제창되어 왔습니다. 시공이 휘어져 접히면 물리적으로 떨어진 2점이 '연결된다'는 가능성이 발견되어 2개의 지점 사이를 순식간에 이동하는 '워프 드라이브'의 실현이 기대되었습니다.

1935년 알베르트 아인슈타인과 그의 제자인 네이선 로젠은 두 점을 잇는 터널과 같은 구조인 '웜홀'이라는 개념을 제창했습니다. 이 웜홀은 불안정하고 영구적으로 열린 채로 통과하는 것은 불가능합니다. 순간적으로 붕괴해 버려서 물질을 통과시키려고 하면 공간의 격렬한 만곡으로부터 생기는 중력 조석력에 의해서 파괴되어 버린다고 하는 문제도 안고 있었지만 웜홀을 이용해 우주공간을 단축한다는 개념은 대중소설과 공상과학 작가를 포함한 많은 사람의 상상을 자극했습니다.

1960년대 워프 드라이브로 이어지는 구체적인 아이디어를 Miguel Alcubierre라는 물리학자가 제창합니다. Alcubierre의 이론에 의하면 우주에 어떠한 음의 에너지가 있고 그것을 이용하여 조작할 수 있으면 워프 드라이브를 실현할 수 있다는 것이었습니다. 유일한 문제는 이론적으로 존재하는 것으로 알려진 모든 입자와 장은 단 하나의 질량 또는 에너지를 가지고 있다는 것입니다. 실현을 위해서는 음의 질량 혹은 음의 에너지를 가지는 어떤 종류의 색다른 물질이 필요합니다.

음의 질량을 가진 물질은 중력에 반대하는 반중력을 가진다는 가설도 있지만, 일반적으로는 양의 질량을 가진 물질과 마찬가지로 중력을 따른다는 가설이 지지되어 왔습니다. 이 가설은 검증되지 않았고 이번에 처음으로 반물질과 관련된 음의 질량이 검증되었습니다.

검증 결과, 반물질이 중력을 따르는 움직임을 보였는데, 이 결과에 의해 반중력의 존재를 전제로 하는 워프 드라이브의 실현 가능성이 소멸했다고 시겔은 지적했습니다.

어떤 물질과 질량이나 스핀이 같음에도 불구하고 전기적 성질이 쌍을 이루고 있는 반물질에 대해 과학자 중에는 중력과 반대방향으로 움직이는 반중력이 작용할 것이라고 생각하는 사람도 있었습니다. 그런데 유럽원자핵연구기구(CERN)의 연구팀이 실제로 반물질을 이용한 실험을 실시한 결과 반물질도 중력에 의해 떨어지는 것이 처음으로 직접 관측되어 반물질에 반중력은 작용하지 않을 가능성이 커졌습니다.

Antimatter embraces Earth, falling downward l | EurekAlert!
https://www.eurekalert.org/news-releases/1002671

Major CERN experiment proves antigravity doesn't exist — at least when it comes to antimatter | Live Science
https://www.livescience.com/physics-mathematics/gravity/major-cern-experiment-proves-antigravity-doesnt-exist-at-least-when-it-comes-to-antimatter

Mind-Blowing Experiment Reveals Antimatter Falls in Gravity : ScienceAlert
https://www.sciencealert.com/mind-blowing-experiment-reveals-antimatter-falls-in-gravity-just-like-matter

반물질이란 통상의 물질과 전기적으로 쌍을 이루는 성질을 가진 물질입니다. 통상의 물질을 구성하는 전자는 음의 전하를, 양성자는 양의 전하를 가지고 있는 반면 반물질을 구성하는 양전자는 양의 전하를, 반양자는 음의 전하를 가지고 있습니다.

1928년은 물리학자 폴 디랙이 반입자(양전자·반양자)의 존재를 예언했고 1932년에는 양전자가, 1955년에는 반양자가 발견되었습니다. 그리고 1995년 CERN 등의 연구팀이 양전자와 반양자를 조합하여 반물질의 일종인 반수소를 생성하는데 성공했으며 2002년에는 반수소 양산에도 성공했습니다.

반물질은 물질과 부딪히면 대소멸을 일으키며, 각각의 질량이 손실되는 대신 에너지가 방출됩니다. 그런데 우주의 시작인 빅뱅에서는 물질과 반물질이 같은 만큼 생성되었다고 생각되고 있으며, 그럼에도 불구하고 현대 우주는 반물질만이 일방적으로 소멸하고 물질이 우주의 대부분을 구성하는 비대칭성을 나타내고 있습니다.

이런 모순을 해결할 수 있는 이론으로서 일부 과학자들은 반물질에는 반중력이 작용하고 이로 인해 초기 우주에서 물질과 반물질이 분단되어 현재 우주의 비대칭성이 탄생했다는 가설을 제창했습니다. 많은 과학자는 이 가설에 회의적이었지만 지금까지 반물질에 대한 중력의 작용을 직접 관측하는 실험은 행해지지 않았기 때문에 확신을 가지기 어려웠다고 합니다.

그래서 CERN과 캘리포니아대학 등 국제연구팀은 반물질인 반수소를 원통형의 자기챔버에 가두어 중력의 영향을 받는지 여부를 조사하는 실험을 실시했습니다.

ALPHAg animation - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=zpQQ43nrCp4

반수소는 반양자가 양전자를 포착하여 생성되는 반물질입니다.

'Antihydrogen Laser Physics Apparatus(반수소 레이저 물리실험장치: ALPHA)' 콜라보레이션 국제연구팀은 생성한 약 100개의 반수소를 길이 약 25cm의 자기챔버에 가두었습니다. 자기챔버에 갇힌 반수소의 온도는 절대영도에 가까운 0.5켈빈으로, 이 상태에서도 반수소는 초당 약 100m의 속도로 이동해 챔버의 가장자리에 있는 자기장에서 초당 수백 번이나 튕겨 나온다는 것.

실험에서는 이 자기챔버의 자기장을 서서히 약하게 함으로써 반수소를 조금씩 챔버 밖으로 빠져나와 병의 위와 아래의 어느 쪽에 보다 많이 반수소가 날아갔는지를 검출했습니다. 병이 수직인 경우 안의 반수소가 통상의 물질과 같이 중력의 영향을 받고 있다면 상방향보다 많은 반수소가 하방향으로 도망치는 원리입니다. 논문의 공동저자인 캘리포니아대학 버클리교의 물리학자인 조엘 파얀스 교수는 이 실험은 거의 같은 무게의 물체를 저울에 걸치는 것과 같으며 반물질에 작용하는 약간의 중력을 관측할 수 있도록 하는 것이라고 설명합니다.

실험을 반복한 결과, 반수소의 약 80%가 하향으로 도망치는 것이 관측되었습니다. 이것은 반수소에 중력이 작용하고 반중력이 작동하지 않음을 보여주었습니다.

이번 실험결과는 어디까지나 반물질에는 중력이 작용한다는 주류의 가설을 확인한 것입니다. 논문의 공동저자로 캘리포니아대학 버클리교의 플라즈마 물리학자인 조나단 우르텔 교수는 "물리학부의 복도에서 물리학자에게 물으면 모두가 이 결과는 조금도 놀라지 않다고 대답할 것이나 확신이 없었기 때문에 실험이 이루어져야 한다고 말할 것"이라고 평가했습니다.

태평양과 대서양 등의 바다의 용적은 137경(10의 18승) 입방미터로 추측되고 있으며 지구 위 수분의 97%를 차지한다고 합니다. 그러나 지구상의 해수에 뒤지지 않는 대량의 물이 지구의 내부에도 존재하고 있는 것으로 밝혀졌습니다.

Hydrous mantle transition zone indicated by ringwoodite included within diamond : Nature : Nature Publishing Group
http://www.nature.com/nature/journal/v507/n7491/full/nature13080.html

Massive 'ocean' discovered towards Earth's core - environment - 12 June 2014 - New Scientist
http://www.newscientist.com/article/dn25723-massive-ocean-discovered-towards-earths-core.html

지구의 내부에 물이 존재하는지에 대해서는 전부터 과학자 사이에서 논의가 있었고 의견이 대립하는 문제였습니다. 최근 그 해답이 보이기 시작했습니다.

1969년에 운석 중에 링우다이트(ringwoodite)라고 불리는 감람석이 고압으로 굳어진 광물이 발견되었습니다. 링우다이트는 1%를 초과하는 중량의 수분을 흡수·유지할 수 있다는 특징을 가지고 있으며, 지구 내부의 맨틀에도 포함되어 있다고 생각되어 왔지만, 지구에서의 존재는 확인되지 않았습니다.

2014년 3월 캐나다 앨버타대학의 그레이엄 피어슨 박사 연구그룹은 지구상에서 처음으로 링우다이트를 발견했다고 과학지 Nature에 발표하면서 지구에도 링우다이트가 존재하는 것이 밝혀졌습니다. 피어슨 박사는 브라질 유이나에서 채취된 다이아몬드 덩어리를 X선 회절로 수년에 걸쳐 분석한 결과 약간의 링우다이트 성분이 포함되어 있는 것을 검출하는 데 성공했다고 합니다.

지구상에서의 링우다이트의 존재가 확인됨으로써 맨틀에 존재하는 링우다이트가 수분을 보유하고 있을 가능성이 강하게 추정되었는데, 2014년 6월 13일 과학지 Science에서 노스웨스턴 대학의 스티브 야콥센 박사 연구팀이 지하 700킬로미터의 링우다이트층에서 수분의 존재를 확인했다는 성과를 발표했습니다.

야콥센 박사는 2000대의 지진계를 사용하여 500종류의 지진파를 측정했습니다. 지진파는 통과하는 암석으로 인해 파동의 속도가 다르기 때문에 이 속도를 계측하는 방식으로 지하에 존재하는 암석의 종류를 조사할 수 있는데, 암석을 통과해 전해지는 지진파는 수분에서 속도가 감속합니다. 야콥센 박사는 지진파의 속도를 계측한 결과 수분으로 인한 감속이 확인되었고 지하 700킬로미터의 맨틀층을 2층으로 나누는 경계 부근에서 수분을 포함한 링우다이트의 존재를 확인했다는 것.

야콥센 박사에 따르면 지하 700킬로미터의 온도·압력 하에서 물은 링우다이트에서 짜내지듯 입자간에 존재한다고 합니다. 이번 발견으로 지구 내부에는 지구 표면 해수의 3배에 달하는 수분이 포함되어 있다고 추정되고 있으며 “지구 표면의 해수는 지구 내부의 맨틀에서 왔다는 충분한 증거가 된다”고 야콥센 박사는 보았습니다.

다이아몬드는 지구 규모로 생각하면 비교적 흔한 광물이라고 연구자가 지적할 정도로 대량의 다이아몬드가 지구 내부에 잠들어 있는 것이 매사추세츠 공과대학(MIT)과 하버드대학 등의 공동연구에서 밝혀졌습니다.

Sound waves reveal diamond cache deep in Earth’s interior | MIT News
http://news.mit.edu/2018/sound-waves-reveal-diamond-cache-deep-earths-interior-0716

다이아몬드는 탄소가 지구 내부의 고온과 고압 조건에서 결정화된 것으로 지각의 채굴 가능한 깊이까지 부상해 오면 입수할 수 있습니다. 이러한 사정에 다이아몬드의 산출량은 1년에 20~30톤 정도로 적고 그 희소성과 높은 투명도에 매우 고가의 보석으로 취급되고 있습니다.

다이아몬드가 산출되는 장소는 북아메리카·동유럽·아프리카 등으로 한정되고 'Craton' 혹은 '안정육괴'는 지각 윗부분뿐입니다. Craton은 지구의 표면을 덮는 지각 중에서도 5억 년은 안정된 부분으로 맨틀에까지 박혀 있기 때문에 지각변동의 영향을 거의 받지 않습니다.

연구팀이 지각을 통하는 지진파의 속도를 연구하고 있었는데, Craton 심부의 '뿌리'라고 불리는 부분에서 지진파가 전해지는 속도가 빨라지는 것을 알았습니다. 왜 지진파가 빨라지는지를 지진파의 속도로부터 뿌리의 성분을 해석한 결과, 뿌리 부분은 다이아몬드, 맨틀 유래의 감람암, 에크로자이트로 구성되어 있는 것이 밝혀졌습니다. 연구팀에 따르면 다이아몬드의 부피비는 Craton 뿌리의 최대 2%이며 총량은 약 1000조 톤이 된다고 합니다. 다만 Craton의 뿌리는 깊이 약 100~200킬로미터로 지금의 기술로는 그 깊이까지 채굴을 진행하는 것은 불가능하다는 것.

MIT의 지구·대기·행성 과학연구자인 울리히 폴 씨는 “다이아몬드는 지구 규모로 생각하면 전혀 드문 것이 아니라 비교적 흔한 광물이라는 것을 알았습니다. 채굴하는 것은 현대 기술로는 불가능하지만 지금까지 생각했던 것보다 훨씬 많은 다이아몬드가 지구에 존재하고 있습니다"라고 설명했습니다.

고성능의 하이스피드 카메라를 사용해 촬영한 영상을 공개하는 YouTube 채널인 The Slow Mo Guys가 로켓엔진의 분사 장면을 슬로우 모션으로 촬영한 영상을 공개했습니다.

Close-up Ignition of a Rocket Engine in Slow Mo - The Slow Mo Guys - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=0srs5jZ1qdg

The Slow Mo Guys는 미국의 민간항공우주회사인 Firefly Aerospace가 실시한 '리버' 엔진의 연소시험에 입회했습니다.

연소시험은 많은 자원을 사용하기 때문에 여러 번할 수 없습니다. 이번 촬영 기회는 단 한 번이어서 The Slow Mo Guys는 카메라의 위치조정에 긴 시간을 들였다고 합니다.

가까이 닿는 격렬한 열과 진동을 견딜 수 있도록 렌즈를 보호하고 카메라 뒷면에 나오는 케이블을 덮었습니다.

실제로 촬영된 영상을 살펴보면 처음에는 흰 구름과 같은 기체가 뿜어져 나오는데 이것은 2개의 추진제 중 하나로 이 추진제에는 케로신계 로켓연료인 RP-1 등이 사용되었습니다.

다음에 뿜어져 나오는 불꽃은 녹색으로 점화제로서 사용되는 트리에틸알루미늄-트리에틸보란(TEA-TEB)의 반응에 의한 것. 화염이 불타오르면 연소온도는 섭씨 3040도에 가까운 매우 고온이 됩니다.

연소 초기에는 노즐에서 나오는 불꽃의 궤도가 보였지만, 곧바로 굉장히 격렬하게 타오릅니다. 실제 80분의 1의 속도로 재생하고 있다고는 모를 정도로 연기가 고속으로 이동하고 있습니다.

The Slow Mo Guys는 “연소시험을 가까이서 볼 수 있어 흥분했다”고 소감을 밝혔습니다.

지금까지도 Wi-Fi로 벽 건너편에 있는 사람의 움직임을 모델화하거나 동작에서 인물을 식별하는 기술이 고안되어 왔지만, 움직임이 없는 물체의 복잡한 형상을 상세하게 보는 것은 매우 어려웠습니다. 그런 가운데 Wi-Fi 신호가 물체의 모서리에 닿을 때 발생하는 회절을 이용함으로써 벽 건너편에 있는 정적 객체의 윤곽을 정확하게 파악할 수 있게 되었다고 캘리포니아 대학 산타바바라교의 연구자들이 보고했습니다.

Reading Through Walls With WiFi
https://web.ece.ucsb.edu/~ymostofi/WiFiReadingThroughWall

Wifi can read through walls | The Current
https://news.ucsb.edu/2023/021198/wifi-can-read-through-walls

항공우주전자시스템협회(AESS) 등이 2023년 5월에 개최한 2023 IEEE Radar Conference(RadarConf23)에서 캘리포니아대학 산타바바라교의 야사민 모스토피 씨의 연구팀은 Wi-Fi로 벽 너머에 있는 물건을 보는 기술을 발표했습니다.

WiFi Can Read Through Walls - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=pvqL3gqGDeM&t=211

우선 연구팀은 차폐물이 없는 상태에서의 실험을 실시했습니다. V나 H 알파벳을 모방한 오브젝트로, TX1~3이 Wi-Fi 송신기입니다. 또 바퀴가 달린 라디콘에는 수신기가 탑재되어 있습니다.

이 실험에서 Wi-Fi로 알파벳의 모양을 매우 정확하게 이미징할 수 있음을 확인했습니다.

계속해서 벽을 넘어 투시해 본 결과 BELIEVE의 문자를 벽을 넘어서 화상화해 읽을 수 있었습니다.

이 기술은 수학자 조셉 켈러가 제안한 기하학적 광학회절 이론을 사용합니다. 이 이론에 의하면 물체에 고주파 신호가 닿으면 그 물체의 모서리에 원형의 '켈러콘'이 발생한다는 것.

이 켈러콘을 2차원의 수신 그리드로 읽어서 물체의 윤곽을 추측해 정지된 물체를 포착하기 위해 연구팀이 개발한 'Wiffract'라는 기술의 기본적인 구조입니다.

모스토피 씨는 이 기술이 스마트홈 등 친밀한 것부터 건물구조의 건전성 검사나 재해시의 수색활동, 과학적인 조사가 이루어지고 있는 발굴현장 등에서 요긴할 것이고 전망했습니다.

1986년에 발생한 체르노빌 원자력발전소 사고는 인근 국가에 방사성물질을 흩뿌려 1000km 이상 떨어진 독일에 서식하는 멧돼지의 몸도 방사능 오염에 노출된 것으로 알려졌습니다. 그런데 멧돼지의 몸에 축적된 방사성물질을 조사한 새로운 연구에서는 멧돼지의 방사능오염은 체르노빌원자력발전소 사고뿐만 아니라 1960년대의 핵무기 실험도 원인인 것으로 밝혀졌습니다.

The wild boar paradox - finally solved | EurekAlert!
https://www.eurekalert.org/news-releases/1000093

Wild Pigs in Germany Are Mysteriously Radioactive, And We Finally Know Why : ScienceAlert
https://www.sciencealert.com/wild-pigs-in-germany-are-mysteriously-radioactive-and-we-finally-know-why

체르노빌 원자력발전소 사고는 중앙 유럽의 숲 생태계에 큰 영향을 미쳤고 현재 우크라이나와 국경을 접하지 않는 독일에서도 야생 멧돼지의 몸에 많은 방사성물질이 축적되어 있습니다. 독일의 작센주에서는 야생의 멧돼지를 포획했을 경우, 방사선 검사로 식육에 적합한지를 조사하는 것이 의무이고 2012년에는 검사를 받은 752마리 중 297마리로부터 기준치 초과의 방사능이 감지되었습니다.

그런데 독일의 멧돼지에서 여전히 고농도의 방사능이 검출되는 것에 대해서는 하나의 의문이 존재합니다. 체르노빌 원자력발전소 사고에 의해 대량으로 방출된 방사성물질인 세슘137의 반감기는 약 30년이며 사고로부터 30년 이상이 경과한 시점에서 자연계에 존재하는 양은 반감되었을 것입니다. 또한 방사성물질이 빗물로 인해 씻겨지거나 미네랄과 결합하여 토양 깊숙이 침투하는 경우도 있어서 반감기를 거친 사슴을 포함한 대부분의 식품샘플은 방사능 오염이 저레벨로 나옵니다.

그럼에도 불구하고 멧돼지의 고기만 이전과 다르지 않은 농도로 방사능 오염이 존재하고 있으며, 이 현상은 멧돼지의 역설로 불리고 있다는 것. 방사선이 허용치를 넘은 멧돼지 고기는 식용에 적합하지 않기 때문에 독일의 일부 지역에서는 멧돼지의 개체수가 사냥에 의해 줄어들기 어려워 농작물 피해도 문제가 되고 있다고 합니다.

그래서 독일의 하노버대학과 오스트리아의 비엔나 공과대학의 연구팀은 멧돼지의 몸에 포함된 방사성물질의 발생원을 특정함으로써 이 멧돼지의 역설을 풀어내려고 시도했습니다. 원자력발전소의 사고나 핵실험 등에서 방출되는 방사성물질의 동위체 비율은 각각 다르기 때문에 세슘137이나 그보다 반감기가 긴 세슘135 등의 비율을 측정하면 그 세슘이 어느 이벤트에서 유래한 것인지 특정할 수 있다는 것.

연구팀은 독일 바이에른주에서 2019~2021년에 포획된 멧돼지 샘플을 수집하고 고순도 감마선 검출기와 유도결합 플라즈마 질량분석을 이용하여 세슘 동위원소의 비율을 측정했습니다. 그 결과 분석한 멧돼지의 88%에서 방사성 세슘농도가 독일의 법정 하한을 넘었고 체르노빌 원자력발전소 사고뿐만 아니라 1960년대의 핵무기 실험에 의해 방출된 세슘도 방사능 오염의 주요 원인인 것으로 나타났습니다.

멧돼지 고기를 오염시킨 세슘의 발생원을 원그래프로 나타낸 것을 살펴보면 청색이 1986년에 발생한 체르노빌 원자력발전소 사고, 백색이 1960년대의 핵무기 실험에서 유래한 세슘을 나타내고 있습니다. 전체적으로 보면 체르노빌 원자력발전소 사고에 유래하는 세슘이 많지만, 세슘의 12~68%가 핵무기 실험에서 유래하는 것으로 나타났습니다. 샘플의 약 4분의 1은 체르노빌 원자력발전소 사고로 인한 오염이 없이 핵무기 실험에서 유래한 세슘만으로 방사능 오염의 법정 하한을 초과했다는 것입니다.

독일의 멧돼지가 체르노빌 원자력발전소 사고에 더 오래된 핵무기 실험에서 유래한 세슘에도 오염되고 있는 원인은 멧돼지가 선호하는 트뤼프와 관계되는 것으로 생각되고 있습니다.

트뤼플은 지하에서 자라는 유형의 버섯으로 천천히 토양에 침투해 간 방사성물질은 시간차로 트러플을 오염시킵니다. 멧돼지는 이 트뤼플을 파먹기 때문에 1960년대에 행해진 핵무기 실험에서 유래한 세슘을 1980년~90년대가 되어 먹고, 체르노빌 원자력발전소 사고에 유래하는 세슘을 최근에 먹고 있을 가능성이 있다는 것.

비엔나 공과대학의 게오르크 슈타인하우저 교수는 “세슘이 토양 아래로 이동하는 속도는 매우 느리고 1년에 1mm 정도밖에 이동하지 않을 수도 있습니다. 깊이 20~40cm에 존재하는 트뤼프는 지금 체르노빌 원자력발전소 사고로 방출된 세슘을 방출하고 있습니다. 한편 낡은 핵무기 실험에 의해 방출된 세슘은 얼마 전에 트뤼프까지 도달했습니다"라고 설명했습니다.

즉, 체르노빌 원자력발전소 사고 직후에 멧돼지 고기를 방사능에 오염시켰던 것은 실은 체르노빌 원자력발전소 사고가 아니라 보다 오래된 핵무기 실험이 방출된 세슘이며, 최근 멧돼지를 오염하고 있는 세슘은 주로 체르노빌 원자력발전소 사고의 유럐로, 이를 통해 멧돼지의 역설을 설명할 수 있습니다.

슈타인하우저 씨는 “우리의 연구는 자연 생태계의 상호관계가 얼마나 복잡한지를 보여주고 있다. 하지만 측정이 충분히 정확하다면 진상파악이 가능하다는 점도 보여준다”고 말했습니다.

아라비아에서 비롯된 커피는 17세기에 유럽에서도 유행했고 20세기 이후에는 커피숍뿐만 아니라 가정에서도 커피를 마실 수 있게 되었습니다. 커피의 대중화에 큰 역할을 한 다양한 커피용품을 CT스캔으로 조사한 결과를 Nintendo Switch나 AirPods 등의 CT스캔 이미지를 공개하는 웹사이트 scanofthemonth.com가 공개했습니다.

Coffee evolution from the Moka Express to the AeroPress and Fellow Stagg EKG Ket
https://www.scanofthemonth.com/scans/coffee

◆ 모카 익스프레스
증기압을 이용하여 커피를 추출하는 기구로, 개발자 알폰소 비아레티의 아들인 레너트 씨는 당초의 모카 익스프레스를 더욱 세련화시켰고 현대에서도 익숙한 팔각형의 디자인이나 수지제 핸들을 채용해 효과적인 광고전략이 더해져 전 세계에 퍼졌습니다.

모카 익스프레스는 맨 아래에 있는 '물을 넣는 챔버', 중앙에 있는 '커피가루를 넣는 필터가 달린 바구니', 상단에 있는 '끓인 커피를 담는 챔버'라는 3가지 주요 알루미늄 부품으로 구성되어 있습니다.

하부 챔버에 들어간 물이 끓어서 증기가 발생하면 증기압에 의해 뜨거운 물이 필터 바스켓을 통해서 상부로 밀어 올려지고 그때 바스켓 내부의 커피분말을 통과합니다. 가루를 통해 추출된 커피는 상단의 챔버에 쌓이는 구조입니다. CT스캔 이미지를 살펴보면 바구니에 물이 통과하는 작은 구멍이 많이 있음을 알 수 있습니다.

덧붙여 scanofthemonth.com이 아마존에서 구입한 새로운 모카 익스프레스를 낡은 비아레티의 모카 익스프레스와 비교한 결과, 새로운 모카 익스프레스는 주조의 품질이 뒤떨어지고, 알루미늄 내부에 공동이 다수 있었습니다. 비아레티가 이탈리아 국외로 제조거점을 옮긴 영향으로 scanofthemonth.com은 추측했습니다.

◆ 에어로 프레스
에어로 프레스는 공학교수였던 알란 아들러 씨가 2005년에 발명한 커피 추출기구이며, 단시간에 간편하게 커피를 추출할 수 있는 데다 휴대성에도 뛰어나 아웃도어로 커피를 마시고 싶은 사람들이 선호했습니다.

에어로 프레스는 원통형 챔버와 고무 씰이 있는 플런저라는 두 가지 주요 부품으로 구성되어 있으며, 챔버에 커피가루와 뜨거운 물을 부어 섞어 잠시 담근 후 플런저를 밀어내어 발생한 공기압으로 커피를 추출하는 구조입니다.

7년 전의 에어로 프레스를 CT스캔으로 세세하게 조사한 결과, 실리콘 씰의 가스킷에는 측면과 0.5mm의 틈이 존재했습니다. scanofthemonth.com은 사용 후 커피찌꺼기를 제거하고 플런저를 챔버에 완전히 밀어 넣은 상태로 보관하면 개스킷의 마찰을 줄이고 수명을 연장할 수 있다고 조언했습니다.

새로운 에어로 프레스는 오래된 에어로 프레스에 비해 플라스틱 밀도가 낮아 CT스캔 이미지에서 어두운 색으로 보입니다. 이 소재변화는 플런저의 시간에 따른 마모를 억제할 것이라고 scanofthemonth.com은 추측했습니다.

◆구스넥 케틀

드리퍼나 필터를 이용해 커피를 추출할 때, 뜨거운 물을 커피콩에 균등하게 부어 추출 불균일을 막기 위해 뜨거운 물의 주입구가 가늘어진 구스넥의 주전자를 사용하는 커피 애호가 많습니다. scanofthemonth.com은 실리콘밸리에 본사를 둔 FELLOW의 전기주전자를 CT스캔했습니다.

주입구에는 물의 흐름을 제어하기 쉽게 하기 위해 작은 홈이 나 있는 것 외에 핸들부분에 고밀도의 중량이 매립되어 있는 것을 알 수 있습니다. 핸들부분의 무게를 늘림으로써 뜨거운 물을 부을 때의 안정도를 높여 뜨거운 물의 정밀한 컨트롤이 가능해진다는 것. 또 케틀의 바닥부분이 약간 내측을 향해 움푹 들어가 있는 것은 발열체에 노출되는 표면적을 늘려 대류의 형성을 촉진하고 케틀 전체에 열이 전해지기 쉽게 하기 위해서라고 합니다.

하단코일은 1200W 발열체이며 주전자의 온수는 단 3분 이내에 최적의 온도에 도달합니다. 또한 온도가 일정한 값을 초과했을 때 전류를 차단하고 화재를 방지하기 위한 열차단 스위치를 갖추고 있었습니다.

◆ 커피밀

최근에는 원통형의 컴팩트한 타입의 커피밀이 인기입니다. scanofthemonth.com은 일본의 커피용품 제조업체인 폴렉스 커피밀을 CT스캔했습니다.

폴렉스의 커피밀은 burr 그라인더라는 타입으로, 큰 블레이드로 커피콩을 가는 것이 아니라 burr이라는 톱 모양의 이로 커피콩을 가는 구조입니다.

하부를 향해 역원추형에 세세한 이가 늘어서 있어서 넓은 표면적으로 천천히 커피콩을 갈게 되어 있습니다.

각도를 바꾸면 이가 나선을 그리듯이 늘어서 있는 것을 알 수 있습니다. 균일한 커피분말을 만드는 것이 가능하고 추출시의 막힘을 경감할 수 있다는 것. 또한 폴렉스의 커피밀은 세라믹으로 만들어져 열용량이 높고 녹슬지 않으며 분쇄 중에 커피가루에 불필요한 열이 가해지는 것을 피할 수 있다고 합니다.

온실가스 중 가장 배출량이 많은 이산화탄소를 대규모이면서 경제적으로 실행 가능한 방법으로서 연료로 사용되는 프로판으로 변환하는 전해장치를 미국 일리노이공과대학 연구팀이 발표했습니다.

Illinois Tech Engineer Spearheads Research Leading to Groundbreaking Green Propane Production Method | Illinois Institute of Technology
https://www.iit.edu/news/illinois-tech-engineer-spearheads-research-leading-groundbreaking-green-propane-production-method

Revolutionary Electrolyzer Efficiently Converts CO2 into Renewable Propane Fuel – ScienceSwitch
https://scienceswitch.com/2023/08/22/revolutionary-electrolyzer-efficiently-converts-co2-into-renewable-propane-fuel/

이산화탄소는 주요 온실가스 중 하나이며, 산업혁명 이후의 지구온난화에 대한 기여율은 약 76%에 달합니다. 미국 정부도 2050년까지 온실가스 배출량을 실질적으로 0으로 하는 목표를 내걸고 있으며, 전력 및 산업부문에서 배출되는 이산화탄소를 삭감하는 혁신적인 방법이 요구되고 있습니다.

이에 일리노이 공과대학에서 화학공학을 조교하는 모하마드 아사디 씨가 주도하는 연구팀은 저렴하고 입수 가능한 재료를 사용하여 이산화탄소를 프로판으로 변환하는 전해장치를 연구했습니다. 프로판은 천연가스 성분의 일종으로 일상생활뿐만 아니라 폭넓은 산업분야에서 연료로 이용되고 있습니다.

최근에는 이산화탄소를 다양한 화학물질로 변환하는 전극촉매의 연구가 진행되고 있지만 이산화탄소로부터 3개 이상의 탄소원자로 이루어지는 분자를 직접 제조하는 것은 곤란했다고 합니다. 프로판도 3개의 탄소원자와 8개의 수소원자가 결합한 알칸이기 때문에 지금까지 효율적으로 이산화탄소를 프로판으로 변환하는 것은 어려웠다고 합니다.

이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 몰리브덴과 인을 조합한 몰리브덴 인화물(Mo3P)의 나노입자를 이용한 새로운 촉매계를 고안해 컴퓨터 모델링과 실험으로 촉매계의 반응활성과 선택성을 분석했습니다.

연구팀은 배치단위로 처리하는 것이 아니라 연속흐름에 의한 프로판 생성을 가능하게 하는 전해조 설계를 구현했기 때문에 프로판을 지속적이고 대규모로 생성할 수 있다고 합니다. 연구팀에 따르면 이 촉매계는 전해조 내에서 100시간에 걸쳐 효율적으로 이산화탄소를 프로판으로 변환 가능하며, 생성물에 기여한 비율을 나타내는 패러데이 효율은 91%에 달했다고 합니다.

아사디 씨는 “재생가능한 화학물질의 제조는 정말 중요한데 이 방법은 현재 우리가 일상적으로 사용하고 있는 화학물질을 잃지 않고 탄소순환을 닫는 최선의 방법”이라고 보았습니다.

일리노이 공과대학은 이번 혁신을 최적화하고 보급하기 위해 글로벌 프로판 기업인 SHV에너지와 제휴하고 있습니다. SHV에너지의 지속가능연료 개발책임자인 키스 시몬스 씨는 “이 방법은 목적에 따른 프로판 생산의 길을 열어주는 흥미로운 개발이며, 프로판 연료를 이용하는 전세계 사용자들을 위한 것”이라고 평가했습니다.

최근에는 태양광이나 풍력과 같은 자연계의 재생 가능 에너지를 발전에 이용하는 시도가 진행되고 있으며 최근에는 하늘에서 내리는 비도 주목받고 있습니다. 이전부터 비를 이용한 빗방울 발전은 고안되어 왔지만 스케일업이 기술적인 문제로 힘들었는데 이번에 중국의 연구팀이 빗방울 발전의 난관돌파를 달성했다고 발표했습니다.

Collecting energy from raindrops using solar | EurekAlert!
https://www.eurekalert.org/news-releases/996074

Forget Solar Panels. Here Come Rain Panels - The Debrief
https://thedebrief.org/forget-solar-panels-here-come-rain-panels/

하늘에서 내려오는 빗방울에는 높은 구름에서 떨어지는 운동에너지와 정전에너지가 포함되어 있으며 이러한 에너지를 이용하여 발전할 수 있습니다. 실제로 과거에는 폴리불화비닐리덴(PVDF) 막이라는 압전체의 막에 빗방울이 충돌하는 진동의 에너지를 이용하여 우산을 발광시키는 시도가 실현되었습니다.

UMBRELLA LIGHTS THE WAY
https://www.yankodesign.com/2008/12/08/umbrella-lights-the-way/

그런데 낙하하는 빗방울로부터 에너지를 효율적으로 수집하는 시도에는 기술적인 장애물이 있어서 대규모의 빗방울 발전을 실현할 수 없다고 합니다. 최근의 연구에서는 마찰대전과 정전유도의 조합으로 역학적 에너지를 전기에너지로 변환하는 마찰대전형 나노발전기(TENG)를 이용한 액적기반의 TENG(D-TENG)로 적지만 측정 가능한 전력을 수집하는 데 성공했습니다.

그런데 D-TENG는 순간적인 고출력을 실현할 수 있지만 메가와트 레벨의 전자기기에 대해 1대로 지속적으로 전력공급을 하는 것은 여전히 ​​곤란하다는 것. 또한 태양전지 패널은 많은 태양전지를 하나의 회로로 결합하여 고출력을 실현 가능하지만, D-TENG를 복수 조합하면 패널의 상부 전극과 하부 전극 사이에 의도하지 않은 용량성 커플링(용량결합)이 생겨 버려, 셀간의 전력손실이 커지기 때문에 전체의 출력이 저하되어 버린다는 문제가 있습니다.

그래서 중국 심천에 있는 청화대학 심천국제대학원의 Zong Li 교수 연구팀은 어레이 하부 전극과 브릿지 환류구조를 갖추고 각 발전유닛을 서로 독립시키면서 용량결합의 영향을 배제한 태양광 패널과 같은 브리지 어레이 발전기를 고안했습니다.

D-TENG에서는 비가 패널 표면에 떨어지면 빗방울이 양으로 대전하고 패널 표면은 음으로 대전하지만 패널 표면의 전하가 서서히 소산하여 에너지 손실로 이어진다는 것. 브리지 어레이 발전기는 이것에 어레이 하부 전극과 브리지 환류구조를 추가하여 빗방울의 에너지를 효율적으로 수집할 수 있게 되었다고 합니다.

연구팀이 다양한 구조의 브리지 어레이 발전기로 테스트를 실시한 결과, 브리지 어레이 발전기의 피크출력은 기존의 같은 크기의 빗방울 발전 패널에 비해 약 5배로 1m^2당 200W에 달했다고 합니다.

Zong Li 교수는 “액적 TENG는 순간적으로 고출력을 실현할 수 있지만 메가와트 레벨의 전자기기에 대해 1대로 연속적으로 전력을 공급하는 것은 여전히 ​​어려워 복수를 동시 사용하는 것은 매우 중요합니다. 다수의 태양광 발전유닛을 병렬로 연결하여 전기를 공급하는 태양전지 패널의 설계를 참고로 우리는 빗방울 에너지 수확을 위한 간단하고 효과적인 방법을 제안하겠습니다”라고 밝혔습니다.

한국의 고려대학 양자에너지연구센터의 연구팀이 상온상압 초전도를 실현했다는 논문을 발표했습니다. 논문이 게재된 것은 검증 전에 논문을 게재하는 arXiv라는 곳이었기 때문에 진위는 아직 명확하지 않은 상태이지만 많은 사람이 상온상압 초전도에 흥미를 보였는데, 호주 모나쉬 대학의 마이클 S. 퓨러 교수가 전기저항이 제로라고 해서 초전도 물질이라고는 단정할 수 없다고 지적했습니다.

Prof. Michael S Fuhrer
https://twitter.com/MichaelSFuhrer/status/1686644227885944833?ref_src=twsrc%5Etfw%7Ctwcamp%5Etweetembed%7Ctwterm%5E1686644227885944833%7Ctwgr%5E74d3a9e4e8ed636bc846afae85aff9d0a3379bd5%7Ctwcon%5Es1_&ref_url=https%3A%2F%2Fgigazine.net%2Fnews%2F20230804-superconductor-michael-fuhrer%2F

초전도란 물질의 전기저항이 0이 되는 상태를 말합니다. 일반적으로 금속의 전기저항은 가열하면 커지고 식히면 작아지기 때문에 저온에서 실현되는 것으로 생각되어 왔습니다.

퓨러 교수는 “실온에서 초전도체가 존재할 수 없는 이유는 없다”면서 “실온 초전도체를 어떻게 만들어야 하는지는 모르겠다”고 밝혔습니다. 또 상온상압 초전도체가 존재한다고 해도 포논 매개에 의한 BCS 기구는 갖지 않는다고 합니다. BCS 기구란 1957년에 제창된 초전도의 발생 메카니즘으로, 포논은 기존의 초전도와의 관계가 깊은 준입자를 말합니다. 즉, 퓨러 교수는 상온상압 초전도체는 이론상 존재할 수 있지만 그것은 지금까지 특정되고 있는 전형적인 초전도체와는 다른 구조에 의한 것이라고 지적하고 있는 것입니다.

이 때문에 초전도는 예기치 못한 이상한 물질로부터 우연히 발견될 것으로 생각됩니다. 다만 우연히 발견된 초저 저항상태가 모두 초전도는 아닙니다.

초전도 여부는 전기저항이 제로인지가 아니라 마이스너 효과와 교류자화율 등 여러 요소로 확인됩니다.

그래도 자연계는 때때로 연구자를 속이는데, 초전도와 닮은 설명이 어려운 결과가 예상외의 고온이 되는 일도 있어서 종종 그럴듯해 보이거나 "미확인 초전도체"라고 불리기도 합니다.

다음은 실온 초전도로 보이는, 실온에서의 반자성을 나타낸 영상입니다.

Giant Diamagnetism in Au-Ag Nanostructures at Ambient Conditions - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=G-aoR8LtFzo&t=13s

퓨러 교수는 이 영상은 신뢰할 수 있는 과학자와 참가하여 이루어진 실험이지만 사기가 의심되는 초전도 연구도 진행되고 있다고 합니다.

이러한 이야기는 당초 신뢰성이 높은 이야기로 생각되지만 이후 어떻게 되었는지 분명하지 않은 경우가 많이 있어서 다른 연구소에서 실험의 재현이 이루어졌다는 뉴스 없이 깜깜 무소식인 사례도 빈번하다고 합니다.

매미의 날개에는 세균을 죽여 버리는 강력한 항균작용이 있습니다. 미국의 스토니 브룩 대학과 오클리지 국립연구소의 연구자들이 슈퍼 ㅣ컴퓨터를 이용하여 매미 날개의 미세 구조의 작용을 밝히고, 세균을 파괴하고 자연스럽게 자기세정하는 메커니즘을 발견했다는 것을 보고했습니다.

Structure-Based Design of Dual Bactericidal and Bacteria-Releasing Nanosurfaces | ACS Applied Materials & Interfaces
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c18121

Scientists use ORNL’s Summit supercomputer to learn how cicada wings kill bacteria | ORNL
https://www.ornl.gov/news/scientists-use-ornls-summit-supercomputer-learn-how-cicada-wings-kill-bacteria

Cicada Wings Kill Superbugs on Contact, And We May Finally Know How : ScienceAlert
https://www.sciencealert.com/cicada-wings-kill-superbugs-on-contact-and-we-may-finally-know-how

스토니 브룩 대학의 고분자 재료과학자인 고가 타다노리 씨와 엔도 마야 씨가 매미의 날개에 주목한 계기는 2012년에 과학지 'Small'에 게재된 논문입니다. 깃털 표면의 미세 구조가 세균에 구멍을 뚫어 파괴한다는 보고에 착안하여 매미의 날개에 있는 나노사이즈의 주상구조인 '나노 필러'를 자기조직화라는 현상으로 재현하는 연구를 시작했습니다.

고가 씨는 매미의 날개는 실로 아름다운 필러구조를 하고 있기 때문에, 이것을 이용하면서 구조의 최적화도 실시하고 싶다고 생각했습니다. 지금까지 매미의 날개가 세균의 부착을 예방하는 단계까지는 알고 있었지만 그 메커니즘은 알 수 없었습니다. 거기서 기둥의 크기와 높이, 기둥과 기둥 사이의 간격을 변경하여 세균을 죽이는 데 가장 효과적인 구조를 확인하려는 것이 이 프로젝트의 전체 그림”이라고 설명했습니다.

나노시료의 작성을 담당한 브룩헤븐 국립연구소의 다니엘 살랏 씨가 포장재 등에서 널리 사용되고 있는 폴리스티렌과 아크릴 수지를 사용한 폴리머로 나노필러를 만들어 세균을 부착시키는 실험에서 세균이 죽을뿐만 아니라 파괴된 균체가 자동으로 제거된다는 것을 알았습니다.

매미의 날개에는 높이와 기둥끼리의 간격이 150나노미터(nm)인 나노필러가 있지만 살랏 씨가 높이 10nm, 폭 50nm의 나노필러를 70nm 간격으로 설치한 결과 대장균을 가장 효과적으로 파괴하고 적어도 36 시간은 세균의 접근을 막는 것으로 나타났습니다.

미세 구조를 사용하여 세균을 죽이는 연구는 지금까지 이루어져 왔지만 죽은 균의 사체가 그대로 남아 있으면 다른 오염이나 다른 균이 부착해 항균효과가 없어져 버리기 때문에 죽은 균의 사체제거는 재료과학자에게 난해한 과제였습니다.

이 획기적인 작용의 발견에 대해 살랏 씨는 “많은 바이오메디컬 재료연구자를 좌절시킨 사체처리 문제는 독성이 있는 화학물질을 사용하지 않고 표면의 쓰레기에 잘 대처할 수 있는 것이 발견되지 않았기 때문”이라고 설명했습니다.

실험에서 나노필러가 균을 죽이는 것이 확인되었지만 파괴된 균이 제거되는 원리는 수수께끼로 남았습니다. 그래서 연구팀은 다음에 오클리지 국립연구소의 나노페이즈 재료과학센터에 근무하는 얀 마이클 카리요 씨에게 의뢰하여 구체적으로 어떠한 메커니즘으로 균이 파괴되는지를 조사했습니다.

카리요 씨가 약 100만 개의 입자를 사용한 분자동역학(MD) 시뮬레이션을 실시한 결과, 균이 나노필러의 표면에 접촉했을 때 지질막이 나노필러와 강한 상호작용을 일으키고 있는 것으로 밝혀졌습니다. 구체적으로는 지질의 막이 나노필러의 표면에 강력하게 흡착되고 막이 필러의 표면이나 모서리에 붙은 후 당겨져 최종적으로 찢긴 균이 파괴되어 버렸다고 합니다.

또 죽은 균이 나노필러로부터 벗겨진 후에는 파편이 남는데 이것이 물에 노출되면 micelle이라는 미세한 입자가 되어 씻겨져 자기세정작용을 발휘했습니다.

엔도 씨는 이번 연구결과에 대해 “우리는 당초 높은 나노필러가 세균막에 바늘처럼 구멍을 뚫고 있다고 생각했지만 나노필러가 높아도 짧아도 세균은 죽었다"며 친밀한 소재로 균을 물리적으로 파괴해 표면을 깨끗하게 유지한다는 이번 연구로 의료기기의 표면에서 약제가 효과가 없는 '슈퍼 버그'가 번식하는 것을 막는 코팅 등이 실현될 것으로 기대했습니다.

기존의 스피커는 소형 대형 모두 코일이나 자석을 사용하는 방법으로 소리를 만들어 내고 있습니다. 이러한 방법은 스피커간의 음량이나 위상의 편차가 크고 이어폰 등에 탑재할 때 요구되는 소형화도 어렵게 했습니다. 최근 이러한 스피커의 제작을 일변할지도 모르는 '솔리드 스테이트 스피커'이 주목 받고 있습니다.

Executive Insight: When Speakers Are Forged In Silicon - TWICE
https://www.twice.com/blog/executive-insight/when-speakers-are-forged-in-silicon

Exotic New Silicon-Based Speakers Are Coming to Next-Generation Earbuds - WSJ
https://www.wsj.com/articles/exotic-new-silicon-based-speakers-are-coming-to-next-generation-earbuds-ee99b76b

솔리드 스테이트 스피커는 코일과 자석 대신 전기신호를 음파로 바꾸는 부품인 사운드 액추에이터로서 박막 피에조 기술을 사용합니다. 이 기술에 사용되는 필름은 반도체 제조공정과 같은 방식으로 실리콘에 층상으로 도포되고 공기를 움직여 소리를 내는 스피커의 진동판이 됩니다.

코일이 없고 작동부품과 진동판 부품이 실리콘으로 만들어져 있기 때문에 솔리드 스테이트 스피커는 전압에 즉시 반응하여 공진부품에 의한 소리의 탁함이나 변색이 없는 고품질의 소리를 제공하는 것이 가능합니다. 이것은 디지털화된 무손실 오디오 및 공간 오디오와 같은 고품질 오디오 콘텐츠가 증가하고 있는 오늘날 매우 중요한 기술입니다.

스토리지 분야가 HDD에서 SSD로 바뀌고 있는 것처럼 스피커도 반도체에 의한 제조로 변화하고 있어 유리나 실리콘의 기판 1장으로 폐색감과 개방감의 양쪽을 연출하거나 기존의 스피커 기술보다 충실도가 높은 사운드를 재생하는 것이 기대되고 있습니다. 반도체 제조공장은 이미 대량으로 만들어져 있기 때문에 스피커를 위해 활용하는 것에 대한 장애물은 낮습니다.

2014년에 설립된 USound의 최고기술책임자인 안드레아 루스코니 크레리치 씨는 MEMS라는 기술을 기반으로 한 스피커는 두께 1mm까지 소형화가 가능하며 스마트폰이나 이어폰 등 장비에 사용되는 일반적인 스피커의 1/4 두께가 될 수 있다고 설명했습니다.

스피커에서 MEMS 기술을 사용한 제품은 현재 적지만  이 기술을 개발하고 있는 기업 중 하나인 xMEMS는 스피커의 프로토타입을 수십 개사에 제공했고 그 중 30개사 이상이 이 기술을 기반으로 한 이어폰 및 기타 제품에 적용하고 있다는 것.

월스트리트 저널은 “이 기술은 모든 스마트폰, 이어폰, 스마트 글라스, 기타 다양한 스피커 탑재 단말기에 사용되게 될지도 모릅니다. 그러나 오디오 업계의 대기업이 솔리드 스테이트 스피커를 채용한다 해도 전환에는 몇 년, 혹은 수십 년 걸릴 것입니다. 현재 저음을 내기에는 기존 스피커가 뛰어나므로 두 기술을 합친 제품이 탄생할지도 모른다”고 전망했습니다.

특정 물질을 식히면 전기 저항이 0이 되는 「초전도」라는 현상에 대해 상온에서도 초전도를 실현한다는 지금까지의 상식을 뒤집는 논문이 2023년 7월 22일에 제출되었습니다. 이 논문의 내용에 대해서 유기화학자 겸 라이터인 데렉 로우 씨가 설명했습니다.

Breaking Superconductor News | Science | AAAS
https://www.science.org/content/blog-post/breaking-superconductor-news

금속이나 화합물 등의 물질을 극저온까지 식히면 일어나는 초전도는 기본적으로 -200도 가까운 온도까지 식히지 않으면 생기지 않고 액체 질소의 비점인 77K(약 -196도) 이상의 온도에서 초전도 현상을 일어나면 고온 초전도라고 불릴 만큼 저온환경에서의 발생이 상식인 것으로 알려졌었습니다.

그러나 이 초전도를 최대 127도의 환경에서도 실현했다는 논문이 갑자기 프리프린트 서버의 arXiv에 공개되면서 초전도에 관심을 가진 연구자들은 크게 흥분했습니다.

The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor
https://doi.org/10.48550/arXiv.2307.12008

Superconductor Pb10−xCux(PO4)6O showing levitation at room temperature and atmospheric pressure and mechanism
https://doi.org/10.48550/arXiv.2307.12037

저자들은 논문에서 구리를 첨가한 납재료 'LK-99'에 대해 설명했습니다. LK-99는 산화납과 황산납의 특징을 가진 광물 '라나카이트(Pb2(SO4)O)'를 조제하여 만들어집니다. 이와는 별도로 구리원소와 인원소로 잘 알려진 화합물인 인화구리(Cu3P)를 새롭게 조제하고 이들 2개의 물질을 1:1의 비율로 분쇄하여 혼합물을 진공 배기한 석영관에 밀봉한 후 925℃까지 가열하면 화학식 Pb10-xCux(PO4)6O의 LK-99가 형성되어 암색의 다결정체가 된다는 것. 로우 씨는 “그 구조는 잘 알려진 인산염 광물인 아파타이트 납과 매우 비슷하지만 격자 중의 특정 납원자가 구리원자로 치환되어 결정학적 단위포가 약간 작아지고 있다”고 설명했습니다.

그리고 이 화합물에 초전도체가 가지는 밖으로부터의 자기장을 상쇄하도록 역방향으로 자화한다는 특징인 '완전 반자성(마이스너 효과)'가 갖추어져 있다고 합니다. 저자들은 이 물질의 왜곡된 구조가 특정 납원자와 그것에 결합된 인산기의 인접한 산소 사이에 다수의 양자샘이 형성되어 사실상 2차원의 전자가스를 만들고 있다고 생각합니다. 로우 씨는 “저는 이 제안을 판단할 수 있을 만큼 고체물리학에 대한 지식을 가지고 있지는 않습니다. 이 논문은 데이터를 제시하고 마이스너 효과, 임계온도에서의 저항률의 급격한 변화 등 초전도체가 가져야 할 거동을 실증하고 있습니다. 이 데이터가 재현되면 이 물질의 초전도성은 의심할 여지가 없습니다”라고 보았습니다.

업계를 뒤흔드는 발견이 될 것이라고 기대되고 있는 이 LK-99에 대해서 로우 씨는 제조순서가 극히 단순하다는 것을 장점으로 들고 있습니다. 로우 씨는 “정말 연구자들의 주장대로 되기를 바랍니다. 사실이라면 노벨상 수준의 발견이며 전세계의 고체재료연구소가 LK-99의 합성과 특성을 재현하려고 시도할 것이고 곧 첫 번째 샘플이 곧 나올 것"이라고 기대를 나타냈습니다.

열팽창이란 온도가 올라가면 팽창하고 온도가 내려가면 수축하는 특성입니다. 금속과 목재와 같은 고체와 액체, 기체는 기본적으로 이 특성을 가지고 있습니다. 그러나 철과 니켈을 일정 비율로 결합한 '인바'라는 합금은 열팽창을 거의 일으키지 않는 것으로 알려져 있었지만 그 원리는 밝혀지지 않았습니다. 캘리포니아 공과대학의 재료과학자인 브렌트 후르츠 씨 연구팀이 인바가 열팽창을 일으키지 않는 원리에 대해 규명했습니다.

Some Alloys Don't Change Size When Heated. We Now Know Why. | www.caltech.edu
https://www.caltech.edu/about/news/some-alloys-dont-change-size-when-heated-we-now-know-why

Some alloys don't change size when heated, and we now know why
https://phys.org/news/2023-07-alloys-dont-size.html

A thermodynamic explanation of the Invar effect | Nature Physics
https://doi.org/10.1038/s41567-023-02142-z

열팽창은 온도가 상승함에 따라 재료의 원자가 격렬하게 진동함으로써 발생하는 현상입니다. 원자가 강하게 진동할수록 이 원자들은 인접한 원자들로부터 밀려 나와 원자들 사이의 공간이 확대됩니다. 그 결과 재료밀도가 떨어지고 전체 크기가 커집니다.

더운 날 등에서는 열팽창이 발생하여 건조물이 구부러져 파손될 위험성이 있기 때문에, 선로의 부설이나 다리, 건물의 건조 시에는 열팽창의 특성을 염두에 둔 여유 있는 설계가 이루어집니다.

한편 1895년에 발견된 인바는 모든 온도에서 크기와 밀도가 거의 변하지 않습니다. 캘리포니아대학의 스테판 로하우스 씨는 “열팽창하지 않는 인바가 발견된 것은 아마도 전대미문일 것”이라고 말했습니다.

열팽창의 특성을 거의 갖지 않는 인바는 시계나 망원경, 액화 천연가스의 수송선의 탱크 등의 용도로 사용되고 있습니다. 그러나 인바가 왜 열팽창의 특성을 갖지 않는지는 지금까지 밝혀지지 않았습니다.

지금까지의 연구에서 열팽창은 열역학의 중심 개념인 엔트로피와 관련이 있음이 밝혀졌습니다. 엔트로피는 한 시스템에서 원자 위치의 온도 차이로 인한 무질서의 척도입니다. 온도가 상승함에 따라 시스템의 엔트로피도 증가하는 것으로 생각됩니다. 온도 상승에 따른 엔트로피의 증가는 기본적으로 보편적인 것으로 간주되므로 인바가 열팽창을 일으키지 않는 요인을 찾아야 했습니다

로하우스 씨는 “지금까지 강자성인 특정 합금만이 인바로서 취급되어 왔기 때문에 열팽창과 강자성 사이에 어떠한 관계가 있을 것이라고 오랫동안 의심되어 왔다”고 설명했습니다.

후루츠 씨의 연구팀은 자성과 원자의 진동을 모두 측정할 수 있는 실험장치를 사용하여 인바의 원자진동과 온도를 올렸을 때의 전자의 스핀상태를 관찰했습니다.

온도가 낮을 ​​때는 인바 내에서 동일한 스핀상태를 공유하는 전자가 많아지고 반발하면서 원자를 바깥쪽으로 밀어주는 힘이 작용합니다. 한편 온도를 올리면 일부 전자의 스핀상태가 반전하게 되고 그 결과 전자는 옆의 전자와 반발하는 일은 없어져 전자끼리가 붙잡음으로써 수축하게 됩니다. 그러나 온도가 상승함에 따라 인바의 원자는 진동이 커지고 팽창을 시작했고 인바의 수축과 팽창이 미묘한 밸런스로 발생하면서 결과적으로 인바의 크기가 변하지는 않았습니다.

연구팀의 이 발견은 원자가 진동하는 주파수가 자성에 따라 변하는 곳 등 진동과 자성 사이의 상호작용이 이 균형이 어떻게 도움이 되는지를 밝혔습니다. 이 발견은 또한 다른 자성재료에서의 열팽창의 이해와 자기를 이용한 냉동 재료의 개발로 이어질 것으로 기대됩니다.

로하우스 씨는 “이번 우리의 연구는 100년 이상에 걸친 과학계의 수수께끼를 풀어낼 수 있었던 중요한 발견으로, 지금까지 자성이 어떻게 물체의 수축을 일으키는지를 보여주기 위해 수천 개의 연구가 보고되어 왔지만 인바에서 열팽창이 발생하지 않는 요인에 대한 설명은 없었다”고 평가했습니다.

미국의 텍사스주 휴스턴에 거점을 두고 있는 지열발전 스타트업의 Fervo Energy가 'Enhanced geothermal systems(EGS: 강화 지열시스템)'라고 불리는 차세대 지열발전 기술의 대규모 데모에 성공했습니다. 상업적 규모로 강화 지열시스템을 운영할 수 있음이 입증됨에 따라 Fervo Energy는 2023년 동안 Google의 데이터센터 및 인프라에 전력을 공급하기 시작했습니다.

Fervo Energy Announces Technology Breakthrough in Next-Generation Geothermal - Fervo Energy
https://fervoenergy.com/fervo-energy-announces-technology-breakthrough-in-next-generation-geothermal/

Fervo Energy Says it Has Achieved Geothermal Energy Tech Breakthrough - Bloomberg
https://www.bloomberg.com/news/articles/2023-07-18/fervo-energy-says-it-has-achieved-geothermal-energy-tech-breakthrough?sref=cJ0KKxwd#xj4y7vzkg

지열은 풍력이나 태양광 등과 같이 탄소 프리 에너지원으로 알려져 있지만 발전에 필요한 지열은 화산활동이 활발하지 않은 지역에서는 얻기 어렵습니다. 그런 지열발전의 과제를 해결하기 위해 고안된 강화 지열시스템은 지중 깊숙이 파고 있는 구멍에 물 등을 주입하여 지열을 꺼내는 구조로 되어 있습니다.

Fervo Energy의 CEO를 맡고 있는 Tim Latimer 씨가 Twitter에 공개한 사진을 보면 강화 지열시스템이 어떤 것인지 대략적으로 이해할 수 있습니다. 지표에서 파낸 구멍을 이용하여 지열을 꺼내기 위해 화산활동에 의한 지열이 지표까지 도달하지 않는 지역에서도 지열을 활용하여 발전하는 것이 가능하다고 합니다.

강화 지열시스템의 실험은 1970년대부터 시작되었지만 굴착의 어려움이나 비용면에서의 과제가 부상했기 때문에 20세기 말 무렵에는 실험이나 연구가 저조했습니다. 그러나 미국에서는 21세기의 셰일가스 혁명 과정에서 굴착 기술이 진보하여 굴착 비용이 크게 낮아져 한때는 어려웠던 지중 깊이에서 수평 방향으로의 굴착이 가능해졌습니다. 그래서 당시 석유·가스 업계에서 굴착 엔지니어로 일하고 있던 Tim Latimer 씨는 “진보한 현대의 굴삭기술을 강화 지열시스템에 이용할 수 있을 것”이라고 생각했습니다.

이 생각에 찬동해 주는 사람은 좀처럼 나타나지 않았지만 대학원에 진학해 지열발전의 연구자들과 공저로 논문을 쓰는 등의 활동을 실시해 2017년에 Fervo Energy를 시작했습니다. 강화 지열시스템을 실용화한다는 Fervo Energy의 계획에는 비판적인 목소리도 있었지만 자선가, 벤처 캐피탈 등의 지원을 받을 수 있었다고 합니다. 2018년에는 빌 게이츠가 이끄는 에너지 문제 전문 펀드 'Breakthrough Energy Ventures(BEV)'의 지원을 받았다고 보도되었습니다.

그리고 2023년 7월 18일, Fervo Energy는 네바다주 북부에 있는 Project Red라는 실험구역에서 30일간의 본격적인 시험을 실시해 3.5MW(메가와트)의 전력을 생성하는 데 성공했습니다. 1MW라면 750가구에 전력을 공급할 수 있기 때문에 Project Red에서 생성된 전력은 상업규모라고 할 수 있습니다. Tim Latimer 씨는 성명에서 “석유·가스 산업의 굴착기술을 적용함으로써 지금까지 지열발전이 이루어지지 않았던 전세계 지역에서 주 7일 24시간 체제로 탄소 프리 에너지 자원을 생산할 수 있다는 것이 증명되었다”고 발표했습니다.

Fervo Energy는 2021년 구글과 차세대 지열발전 시스템 개발을 위한 기업간 계약을 체결했으며, 이번 혁신에도 구글의 도움이 있었다고 합니다. Project Red는 2023년에 전력망에 연결되어 네바다주 전체 Google 데이터센터 및 인프라에 전력을 공급할 예정입니다.

향후 Fervo Energy는 유타주 남서부에 건설중인 발전구역에서도 시연을 실시할 예정이며 예상대로 전력출력이 최대화되면 유타주에서는 2028년까지 약 400MW를 공급할 것으로 예측되고 있습니다.

영구자석은 자극의 방향이 고정되어 자력을 계속 발생하는 자석입니다. 그 중 하나인 네오디뮴 자석은 특히 강력한 자력을 가지고 있는 것으로 알려져 있습니다.

네오디뮴 자석에 한정되지 않고, 영구자석은 사용하고 있는 동안에 약간이지만 자력이 줄어 갑니다. 이 현상을 감자라고 합니다.

네오디뮴 자석의 감자는 다른 자석에 비해 적고 연간 -0.1~0.3% 정도입니다. 100년 경과해도 자석의 성능에 관련된 감자는 일어나기 어렵습니다. 개체 차이는 있지만 반영구적으로 사용할 수 있다고 보아도 과언이 아닙니다. 따라서 PC와 휴대전화, 자동차 엔진 등에 이용되고 있습니다.

그러나 자석의 사용상황이나 보존하는 환경이 나쁘면 다릅니다. 고온상태에서의 사용이나 충격을 받기 쉬운 환경에서의 사용했을 경우 열화의 스피드는 빨라집니다. 이러한 사용방법은 감자하기 쉬워지기 때문에 네오디뮴 자석에서도 수명이 짧아집니다.

자석은 내부의 자성분자가 같은 방향을 향하고 있기 때문에 자력을 유지하고 있습니다. 그러나 어떤 원인으로 인해 분자열이 흐트러져 방향이 바뀔 수 있습니다. 그렇게 되면 자력은 약해져 버립니다.

▣ 자기감자
자력은 보통 N극을 빠져나와서 외계를 지나 S극으로 향합니다. 그러나 외계에 나가는 것보다 자석의 내부를 통해 S극으로 향하는 것이 지름길이 되기 때문에 그 자석이 가지는 자속과는 반대 방향으로 자기장이 발생해 버립니다. 이 자기장은 감자장이라고 불리며 자력의 저하의 원인이 되는 작용이 있습니다.

감자계의 크기는 자석의 치수나 형상에 따라 다르지만 얇은 자석만큼 강하게 자기감자하기 때문에 자력이 약해지기 쉽다고 합니다.

▣ 외부 자기장의 영향
외부 자기장은 외부에서 자석에 간섭하는 자기장입니다. 예를 들어 가까이에 전자기력이 큰 기계나 부품이 있는 경우에는 자기장의 영향을 받아 감자가 발생할 수 있습니다. 또 복수의 자석끼리를 반발시키는 것만으로도 영향은 일어납니다.

왜냐하면 자화방향과 역방향의 외부 자계가 가해지면 자속밀도가 변화하여 자력이 약해집니다. 특히 보자력이 작은 페라이트 자석 등에서 일어나기 쉬운 현상입니다.

▣ 녹을 포함한 물리적 손상
파손은 물론 녹에 의한 조성변화에 인해서도 감자합니다. 네오디뮴 자석은 녹슬기 쉬운 자석 재질이므로 방청으로서 니켈 도금을 하고 있습니다. 단 경년열화나 온도 및 습도 환경에 의해 녹이 발생하여 감자로 이어질 우려가 있습니다.

▣ 고온에 의한 감자
네오디뮴 자석은 상대적으로 열에 약한 자석입니다. 기본적으로 강자성 금속은 온도가 올라가면 열에너지에 의해 자속의 밀도나 보자력 등의 특성이 변화하여 자력을 잃습니다. 고온에서 자석의 자력이 감소하는 사건을 고온감자라고 하며 자력이 제로가 되는 온도를 퀴리온도라고 합니다.

퀴리온도의 수치는 자석의 종류에 따라 다릅니다. 페라이트 자석은 약 500℃, 사마륨 코발트 자석은 약 700~800℃인데 비해 네오디뮴 자석은 약 330℃로 낮습니다.

고온감자에는 식히면 자력이 원래로 돌아오는 가역감자와 식어도 자력이 원래대로 돌아오지 않는 불가역감자가 있습니다. 네오디뮴 자석은 불가역감자를 일으키는 온도도 다른 자석 재질에 비해 낮습니다. 그 때문에 고온환경에서의 사용에는 적합하지 않습니다.

참고로 네오디뮴 자석은 저온환경에서는 자력이 증가합니다. 저온에 의해 감자하는 자석도 있습니다. 페라이트 자석은 고온뿐만 아니라 저온상태에서도 감자가 발생합니다. 왜냐하면 페라이트는 다른 자석과 달리 온도가 내려갈수록 보자력이 저하한다는 특성을 가지고 있기 때문입니다. 따라서 페라이트 자석을 -20~-40℃ 정도의 저온까지 냉각하면 상온으로 되돌려도 원래의 자력으로 돌아가지 않게 됩니다.

네오디뮴 자석을 오래 사용하는 방법

조금이라도 네오디뮴 자석의 수명을 길게하고 정상적으로 사용하기 위해서는 일상적인 취급방법이 중요합니다.

▣ 비나 수증기에 닿지 않는 곳에 보관
네오디뮴 자석은 녹이 생기기 쉬운 성질이 있습니다. 녹슬면 감자하므로 습기 차단을 위해 비닐봉투 등으로 밀봉하여 비나 물이 닿지 않는 장소나 수증기에 닿지 않는 장소에 보관합시다.

▣ 고온이나 특수한 환경을 피한다
네오디뮴 자석은 다른 자석에 비해 열에 약하기 때문에 가능하면 50℃ 이하의 환경에서 사용하거나 보관하고 부식성 가스나 산성, 알칼리성이 강한 곳, 유기용제를 사용하는 특수한 환경도 피합시다.

▣ 자석의 방향에 주의한다
여러 자석을 보관할 때는 상하좌우에 관계없이 넣으면 서로 반응하여 자석의 방향이 바뀔 가능성이 있습니다. 또한 파손의 원인이 되기 때문에 자석의 방향을 맞추어 보관합시다.

▣ 충격이 가해지지 않도록 주의한다
충격을 받으면 균열이나 부서짐이 발생할 뿐만 아니라 자석 내의 자성분자가 흐트러져 감자하는 경우도 있습니다. 보관할 때는 낙하할 가능성이 있는 장소를 피하고 지면에 둘 때도 천천히 진행합시다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- ネオジム磁石の寿命ってどれぐらい？
https://www.neomag.jp/mag_navi/column/column014.html

강한 자력을 가진 자석은 일상생활의 모든 곳에서 사용되고 있지만 그 자력은 눈으로 볼 수 없습니다. 그러나 자석 주위에 사철을 뿌려 간접적으로
자력을 볼 수 있습니다. 다양한 현상을 고속카메라로 촬영한 슬로우 모션 영상을 공개하고 있는 The Slow Mo Guys가 자석에 사철이 달라붙는 순간을 촬영하여 자력의 방향을 가시화하는 데 성공했습니다.

Visualizing Magnetic Fields with Slow Mo #shorts #slowmoguys - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=fgLf_dcZy9Q

파이프에서 매달린 볼트너트에 비닐봉투로 감싼 영구자석을 붙입니다. 그리고 그 아래에서 사철을 공중에 날려 사철이 영구자석에 달라붙는 순간을 2000FPS으로 촬영할 수 있는 고속카메라로 포착했습니다.

사철이 궤적은 영구자석이 가진 자기장의 방향을 따릅니다. 자기장의 방향은 영구자석의 양극에서 포물선을 그리는 것이 잘 알려져 있습니다.

자력의 정체는 자연계의 4개의 힘(기본 상호작용)의 하나인 전자기 상호작용입니다. 세상의 모든 것은 원자로 이루어져 있으며 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있습니다. 그리고 이 전자의 운동이 모여 전자기장에 방향과 힘이 발생합니다. 사철로 시각화되어 있는 자력선이란 N극과 S극 사이에 발생하고 있는 전자기장의 방향으로 이루어지는 곡선으로, 영구자석에 보이지 않는 힘이 넘쳐 흐르고 있는 것은 아닙니다.