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[신소재 신기술(189)] AI로 리튬이온 대체 물질 발견⋯美 NJIT, 차세대 전지 재료 개발에 돌파구
- 미국 뉴저지공과대학교(NJIT) 연구진이 인공지능(AI)을 활용해 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는 차세대 에너지 저장 소재 탐색에 성공했다. 전통적인 실험 방식으로는 불가능했던 수천 개의 결정 구조를 AI가 빠르게 탐색하면서, 고용량 차세대 전지 개발에 실마리를 제공했다는 평가다. 이번 연구는 NJIT 기계·산업공학과 디바카르 다타(Dibakar Datta) 교수가 이끄는 연구팀에 의해 수행됐으며, 국제 학술지 '셀 리포트 물리과학(Cell Reports Physical Science)'에 최근 게재됐다. 7월 31일 NJIT에 따르면 다타 교수팀은 '생성형 AI(Generative AI)'를 도입해 다가이온(multivalent-ion) 배터리용 다공성 전이금속산화물 소재를 신속히 발굴했다. 다가이온 배터리는 기존 리튬이온 배터리와 달리 이온당 2~3개의 양전하를 지닌 마그네슘, 칼슘, 알루미늄, 아연 등 풍부한 원소를 활용한다. 이론상 동일한 공간에 더 많은 전하를 저장할 수 있어 에너지 밀도 측면에서 높은 잠재력을 지닌다. 다만, 이들 이온의 전하량과 크기가 커 소재 내부에서의 이동이 어려운 점이 상용화의 큰 장벽으로 작용해왔다. 연구은 이 문제를 해결하기 위해 새로운 AI 기반 탐색 프레임워크를 제안했다. 연구팀은 결정 확산 변분 오토인코더(Crystal Diffusion Variational Autoencoder, CDVAE)와 대형 언어모델(LLM)을 조합한 이중 AI 기법을 개발했다. CDVAE는 대규모 결정 구조 데이터셋을 학습해, 기존에 존재하지 않던 구조를 생성해냈으며, LLM은 열역학적으로 안정한 구조 후보를 정밀하게 선별하는 역할을 수행했다. 이 같은 AI 모델을 활용해 연구진은 수천 개의 새로운 다공성 결정 구조를 탐색했고, 이 중 다가이온 배터리용으로 적합한 5종의 새로운 전이금속산화물 구조를 도출했다. 해당 물질들은 이온 확산에 유리한 넓고 균일한 채널을 갖추고 있어, 고용량 저장과 안정성 확보 측면에서 유리한 것으로 나타났다. 연구팀은 이 구조들의 물리적 특성을 양자역학 기반 시뮬레이션을 통해 검증했으며, 실험적 합성 가능성도 확인했다. 다타 교수는 "문제는 유망한 전지 화학의 부재가 아니라, 수백만 개에 달하는 조합을 실험실에서 모두 검증하는 것이 현실적으로 불가능하다는 점이었다"며, "AI는 이 방대한 재료의 조합을 체계적으로 탐색하고 선별하는 데 가장 효율적인 수단"이라고 설명했다. 그는 이어 "이번 연구는 단순히 새로운 배터리 재료를 찾는 데 그치지 않고, 첨단 전자소자부터 청정에너지 소재까지 폭넓은 응용 분야에 걸쳐 고속 탐색 프레임워크를 제시했다는 데 의의가 있다"고 덧붙였다. 연구진은 향후 실험실 기반 공동 연구를 통해 AI 기반으로 설계한 소재의 실제 합성과 상용화 가능성 검증에 착수할 계획이다. 이번 연구는 AI 기반 재료 과학이 전통적인 실험 중심 연구방식을 보완하거나 대체할 수 있다는 점에서, 차세대 에너지 산업의 전환점을 이끌 수 있을지 주목된다.
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- IT/바이오
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[신소재 신기술(189)] AI로 리튬이온 대체 물질 발견⋯美 NJIT, 차세대 전지 재료 개발에 돌파구
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[ESGC] 미세플라스틱, 중금속 체내 전달 경로 될 수 있어⋯과학계 경고
- 전 세계적으로 매년 3억 8900만 톤 이상 배출되는 플라스틱 쓰레기 중 상당량이 해양과 산악 지형은 물론, 인체 내부에서도 확인되고 있다. 이 가운데 미세플라스틱이 중금속을 흡착해 인체로 유입될 수 있다는 연구 결과가 제시되면서, 미세플라스틱 오염이 단순한 환경 문제를 넘어 잠재적 건강 위협 요인으로 부각되고 있다. 9일(현지시간) 더쿨다운(TCD)에 따르면 미국 뉴저지공과대학교(NJIT) 연구팀은 최근 학술지 케미칼·엔지니어링뉴스(Chemical & Engineering News, C&EN)에 발표한 실험을 통해, 플라스틱 폐기물에서 유래한 미세플라스틱이 납, 카드뮴, 코발트, 망간, 아연 등 주요 중금속을 빠르게 흡착한다는 사실을 확인했다. 연구진은 실생활과 유사한 환경을 모사하기 위해 플라스틱 폐기물과 수돗물을 혼합한 용액에 미세플라스틱을 노출시켰다. 그 결과, 세 가지 종류의 일반적인 플라스틱 입자에서 5분 이내에 중금속 흡착 반응이 일어났으며, 특히 납의 경우 99% 이상이 빠르게 흡착된 것으로 나타났다. "흡착력 큰 미세플라스틱, 인체 내 침투 시 중금속 전달 가능성" 미세플라스틱(microplastics) 및 나노플라스틱(nanoplastics)은 물병 등 플라스틱 제품이 분해되며 생성되는 극소 입자다. OECD와 미국 국립의학도서관(NLM)에 따르면 이러한 입자는 식품 섭취 또는 호흡을 통해 인체에 유입될 수 있으며, 장기적으로 암 발생 위험이나 대사 장애 등 건강 악영향이 우려된다고 지적했다. NJIT 연구에 참여한 소메나스 미트라(Somenath Mitra) 교수는 "이번 결과는 나노플라스틱 오염이 인체 건강에 미치는 영향에 대한 여러 의문에 접근할 수 있는 실마리"라고 평가했다. 특히 이번 실험은 다양한 크기와 형태의 미세플라스틱을 활용해 실제 환경에서 존재하는 입자 특성과 유사한 조건을 구현했으며, 이러한 입자들은 실험실 합성 입자보다 표면적이 넓어 중금속을 더 잘 흡착하는 경향을 보였다. 독성 여부는 '노출량'이 핵심…"추가 연구 필요" 그러나 이번 연구만으로 미세플라스틱을 통한 중금속 노출이 실제 인체에 유해한지를 단정하긴 어렵다. 퍼듀대학교의 독성학자 조너선 샤나한(Jonathan H. Shannahan) 교수는 "중요한 것은 노출량(dose)"이라며 "현재로서는 우리가 일상에서 어느 정도의 노출을 받고 있는지 구체적으로 알기 어렵다. 이는 장기적 연구를 통해 규명돼야 할 사안"이라고 말했다. 소비자 인식 전환도 중요…"플라스틱 사용 줄여야" 전문가들은 이번 연구를 계기로 미세플라스틱이 인체 건강에 미치는 영향을 본격적으로 규명할 필요가 있다고 강조했다. 동시에 개인 차원에서도 ▲ 일회용 플라스틱 사용 절감 ▲ 재사용 용기 사용 ▲ 무독성 제품 선택 등 소비 습관의 변화가 중장기적 해결책이 될 수 있다고 제언했다. 플라스틱 오염을 줄이기 위한 제도적 대응과 함께, 일상 속에서 '플라스틱과 거리두기' 실천이 인류 건강 보호를 위한 출발점이 될 수 있다는 점에서 이번 연구는 중요한 경고로 받아들여지고 있다.
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- ESGC
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[ESGC] 미세플라스틱, 중금속 체내 전달 경로 될 수 있어⋯과학계 경고
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[우주의 속삭임(119)] 태양 코로나의 미세 구조 첫 포착⋯지상관측 기술 한계 넘었다
- 태양의 가장 바깥층인 코로나의 미세 구조가 지상 관측 사상 최초로 고해상도로 포착됐다. 미국 국립태양관측소(NSO)와 뉴저지공과대(NJIT) 공동연구진은 최근 고차 적응광학(adaptive optics, AO) 기술을 이용해 태양 코로나의 섬세한 구조를 촬영하는 데 성공했다고 밝혔다고 사이언스 얼럿, 라이브 사이언스 등 다수 외신이 보도했다. 캘리포니아의 지상 망원경이 태양의 코로나 비(태양 표면에서부터 태양 대기의 가장 바깥쪽 부분인 코로나까지 뻗어 있는 플라스마 흐름과 거대한 아치)를 놀랍도록 새로운 세부 묘사로 포착한 것. 지구 대기로 인한 흐릿함을 제거하기 위해 새로운 기술을 활용한 타임랩스 영상에서 촬영한 이미지 중에는 코로나 비(태양 표면에서부터 태양 대기의 가장 바깥쪽 부분인 코로나까지 뻗어 있는 플라스마 흐름과 거대한 아치)가 있는데, 이는 식어가는 플라스마가 응축되어 자기장 선을 따라 태양 표면으로 다시 떨어질 때 발생하는 현상이다. 관측된 다른 특징들로는 홍염(태양물리학자들이 아치와 고리 모양을 묘사할 때 사용하는 용어)과 미세하게 구조화된 플라스마 기류가 있다. 이 이미지들은 망원경이 포착한 수소 알파선을 인공적으로 채색하여 분홍색으로 표현했다. 코로나는 태양의 광구(photosphere) 바로 위에 위치한 고온 플라스마층으로, 온도가 수백만 켈빈에 달해 태양 표면보다 더 뜨겁다. 이 '코로나 가열 문제(coronal heating problem)'는 태양물리학 최대 난제로 꼽혀 왔다. 코로나는 또한 자기장에 의해 형성되며, 태양 플레어 및 코로나 질량 방출(CME)의 근원이기도 하다. 이러한 CME는 지구 자기장과 충돌해 오로라나 지자기 폭풍을 유발한다. 문제는 코로나의 밝기가 태양 표면보다 훨씬 어둡다는 점이다. 통상적으로 코로나는 개기일식이나 우주기반 코로나그래프를 통해서만 관측이 가능했다. 그러나 연구진은 이번에 1.6m급 구드 태양망원경(Goode Solar Telescope)에 적응광학 시스템을 접목해, 지상에서도 코로나의 미세 구조를 명확히 포착할 수 있게 됐다. 이 망원경에는 지구 상층 대기의 난류를 보정하기 위해 레이저를 사용하는 코나(Cona)라는 새로운 기술이 탑재되어 있다. 이번 성과는 학술지 '네이처 애스트로노미(Nature Astronomy)'에 '고차 적응광학을 이용한 태양 코로나 미세 구조 관측(Observations of fine coronal structures with high-order solar adaptive optics)'이라는 제목으로 발표됐다. 이 연구의 공동 저자이자 뉴저지 공과대학의 연구 교수인 바실 유리신은 성명을 통해 "이것은 이런 종류의 관찰 중 가장 자세한 것이며, 이전에 관찰되지 않았던 특징을 보여주고 있으며, 그것이 무엇인지는 아직 명확하지 않다"고 밝혔다. 연구팀은 기존 광구용 적응광학 기술을 한층 발전시켜 코로나 관측에 맞게 최적화한 시스템을 구현했다. 적응광학은 대기의 난류로 인해 일그러진 파면(wavefront)을 실시간으로 보정해 고해상도 이미지를 구현하는 기술로, 컴퓨터 제어 변형 거울 등이 핵심 장비다. 이번 시스템은 해당 망원경의 회절 한계인 약 63km 해상도를 달성했다. 이는 종전보다 해상도가 10배 개선된 수치다. NSO의 적응광학 과학자인 디르크 슈미트(Dirk Schmidt)는 "대기 난류로 흐려졌던 태양의 이미지를 보정함으로써, 이제껏 한 번도 본 적 없는 태양을 들여다볼 수 있게 됐다"며 "이번 기술은 게임 체인저가 될 것"이라고 말했다. 공동 저자인 필립 구드(NJIT)는 "이 기술은 하와이 인우에 태양망원경 등 전 세계 관측소로 확산될 것"이라며, 향후 지상기반 태양관측의 패러다임을 바꿀 것으로 내다봤다. 이번 연구로 확인된 코로나의 세밀한 구조는 그동안 예측이나 모델링으로만 존재하던 플라스마 흐름, 태양비(rain), 자기 루프 등의 동역학을 실측 데이터로 분석할 수 있는 기반을 제공한다. 예를 들어, 고온의 코로나에서 냉각된 플라스마 물질이 중력에 의해 표면으로 낙하하는 현상인 '코로나 비'는 폭이 20km에 불과한 미세한 가닥들로 구성돼 있으며, 자기력선을 따라 곡선 경로를 그리며 이동하는 것이 이번에 확인됐다. 태양의 활동은 우주환경에 직접적 영향을 미치기 때문에 코로나의 정밀 관측은 단순한 천문학적 의미를 넘어, 인공위성 통신, 항공, 전력망 등의 안정성과 직결된다. 특히 코로나의 열원이 무엇이며, 어떻게 거대한 플레어가 방출되는지에 대한 이해는 향후 우주기상 예보의 정밀도를 좌우할 것으로 전망된다. NSO의 기술책임자인 토마스 림멜레는 "이번 적응광학 시스템은 지난 수십 년간 공백으로 남아 있던 기술적 한계를 극복한 결정적 진전"이라며 "지금이야말로 코로나 물리학의 새로운 시대가 시작되는 순간"이라고 평가했다. 연구진은 향후 이 시스템을 하와이에 있는 세계 최대 태양망원경(4m)인 다니엘 K. 이노우에 태양망원경에도 적용해 더욱 정밀한 코로나 연구를 이어갈 계획이다.
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- 포커스온
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[우주의 속삭임(119)] 태양 코로나의 미세 구조 첫 포착⋯지상관측 기술 한계 넘었다
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미세 플라스틱, 발기 부전에도 영향
- 인간의 음경에서도 미세 플라스틱이 처음으로 발견됐다. 최근 연구에 따르면, 인간의 음경 조직에서 미세 플라스틱이 검출되었으며, 이는 발기부전과 연관될 가능성이 제기됐다. CNN과 네이처닷컴, 인디펜던트 등 다수 외신은 이에 대해 집중 보도했다. 19일(현지시간) 국제 성의학 저널인 IJIR에 발표된 연구의 일환으로 발기부전 관련 수술을 받은 5명의 남성의 음경 조직 샘플을 분석한 결과 7가지 종류의 미세 플라스틱이 검출됐다. 미세 플라스틱 조각은 0.2인치(5mm)미만에서 1/2만5000인치(1마이크로미터)에 이르는 고분자 조각이다. 그보다 작은 것은 나노 플라스틱이라고 하며, 10억분의 1미터 단위로 측정해야 한다. CNN에 따르면 나노 플라스틱은 큰 플라스틱이 화학적으로 분해되거나, 물리적으로 마모되어 작은 조각으로 분해될 때 형성된다. 이번 연구를 주도한 마이애미 대학에서 연구를 수행한 생식 비뇨기과 전문가인 란지스 라마사미(Ranjith Ramasamy) 박사는 인간의 심장에서 미세플라스틱의 증거를 발견한 이전 연구를 연구의 기초로 사용했다고 CNN에 말했다. 라마사미 박사는 "음경이 심장처럼 혈관이 매우 많은 기관이기 때문에 음경에서 미세 플라스틱이 발견된 것에 놀라지 않았다"고 말했다. 이전 연구에 따르면 표준 크기의 생수 2개에 해당하는 생수 1리터에는 평균 24만개의 플라스틱 입자가 포함된 것으로 나타났다. PET 가장 많이 검출돼 샘플은 발기부전(ED)진단을 받고 2023년 8월부터 9월 사이에 마이애미 대학교에서 이 잘환을 치료하기 위해 음경 임플란트 수술을 받기 위해 병원에 입원한 연구 참가자로부터 채취했다. 그런 다음 화학 이미징을 사용하여 샘플을 분석한 결과 남성 5명중 4명의 음경 조직에서 미세 플라스틱이 있는 것으로 나타났다. 이번 연구에서는 특히 폴리에티렌 테레프탈레이트(PET)와 폴리프로필렌이 가장 많이 발견됐다. PET와 플로프로필렌은 주스 용기, 음료수 병 등 일상 생활에서 흔히 사용되는 플라스틱이다. 앞선 연구에서는 중국 공중보건 연구팀은 테스트한 모든 샘플의 정액에서 미세 플라스틱을 발견했으며, 정자 운동에도 영향을 미친다고 밝혔다. 해당 연구팀은 중국 동부 산동성의 성도인 지난(Jinan, 濟南)에 살고 있는, 플라스틱 산업에 종사하지 않는 건강한 성인 남성 36명으로부터 정액 샘플을 수집했다. 모든 정액 샘플에서 샘플당 평균 2개의 입자(0.72~7.02μm 범위)의 미세플라스틱을 발견했다. 또한 8개의 서로 다른 플라스틱 폴리머가 확인되었으며, 포장용 스티로폼에 흔히 사용되는 폴리스티렌(31%)이 가장 많이 발견됐다. 이전 연구에 따르면 미세 플라스틱은 산꼭대기, 대기 상층부, 깊은 해양과 남극 등 거의 모든 곳에 존재하는 것으로 나타났다. 또한 인간의 심장과 태반, 뇌, 고환 등 인체의 모든 기관에서도 미세 플라스틱이 검출됐다. 병리학 관련 추가 연구 필요 라마사미 박사는 "플라스틱 병과 용기에 들어 있는 물과 음식을 섭취하는 것에 주의를 기울여야 하며 병리학을 유발할 수 있는 수준을 확안하기 위한 더 많은 연구가 완료될 때까지 사용을 제한해야 한다고 생각한다"고 말했다. 연구팀은 발기 시 혈관 확장으로 인해 혈액 내 미세 플라스틱이 음경에 축적될 수 있다고 추정했다. 또한 미세 플라스틱이 성 건강에 미치는 영향에 대한 추가 연구가 필요하다고 강조했다. 본 연구는 표본 크기가 작지만, 미세 플라스틱이 인체에 미치는 영향, 특히 남성 생식기에 대한 새로운 논의를 제기하는 중요한 의미를 지닌다. 라마사미 박사는 "이제 미세 플라스틱의 존재가 확인됐으며, ED와 같은 질환과의 잠재적 연관성을 조사하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다"고 말했다. 그는 "미세 플라스틱이 발가부전과 연관이 있는지, 병리학을 유발하는 수준 이상인지, 어떤 유형의 미세 플라스틱이 병리학적인지 파악해야 한다"고 덧붙였다.
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미세 플라스틱, 발기 부전에도 영향
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