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2024 상반기 과학기술계 핫한 연구논문은?

청룡의 해로 힘찬 출발을 알렸던 2024년도 어느새 절반을 지났다. 제22대 국회의원 선거, 의료개혁과 파업, 푸바오 반환, 동해안 석유 시추 등 다양한 이슈가 국민들의 기억 속에 남게 됐다.

과학기술계 역시 새로운 연구들의 향연이 이어졌다. 새로운 가능성을 끊임없이 제시하는 신소재, 이제는 바이오헬스 분야의 필수로 자리 잡은 AI 등이 연일 주요 국제학술지의 표지를 장식하고 있다. 또한 심각해지는 기후변화를 경고하는 특집기사와 논문들 역시 인상적이다. 이번 D-Report에선 2024년 상반기 국내외의 주요 연구성과를 살펴봤다. 

◆ 청바지 염료에서 만드는 리튬이온전지

 페로브스카이트 2차원 구조 설계 논문이 표지를 장식한 사이언스.[사진=사이언스]

인류가 에너지를 더 효율적으로 활용하고자 하는 고민이 이어지고 있다. 고밀도의 연료전지, 버려지는 에너지의 최소화, 친환경 에너지의 효율 상승 등이 대표적인 예다. 

지난 6월 13일 국제학술지 사이언스(Science)의 표지논문으로 선정된 연구성과는 아다티야 모히테(Aditya D. Mohite) 미국 라이스대 교수팀의 페로브스카이트 이차원(2D) 구조 설계였다. 연구팀은 순수한 포름아미디늄 요오드화납(FAPbl3) 전구체 용액을 2D 페로브스카이트에 접촉시킴으로써 광전환 효율을 크게 상승시키는데 성공했다. 이번 연구성과는 3차원(3D) 페로브스카이트 구조에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

리튬이차전지의 수명을 3배 늘릴 수 있는 복합소재의 개발 소식도 이어졌다. 소재분야 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials) 1월호에는 김도엽 한국 화학연구원 책임연구원 연구팀의 연구성과가 실렸다. 연구팀은 리튬이온을 잘 전달하는 소재 Al-LLZO(Al-doped Li₇La₃Zr₂O₁₂)를 리튬금속과 물리적으로 섞는 방식으로 복합소재 제조에 성공했다. 해당 복합소재는 기존 대비 3배 이상의 수명을 기록했으며, 250회 충·방전 후에도 금속한 용량 감소없이 안정적으로 구동하는 모습을 보였다.

청바지의 염료에서도 리튬이온전지를 제조하는 기술이 개발됐다. 이현욱 UNIST 에너지화학공학과 교수팀은 청바지 염료로 잘 알려진 ‘프러시안 블루’를 양극재로 사용해 500 사이클 이상에서도 안정된 출력으로 구동되는 결과를 확인했다. 이를 통해 성능은 높이면서 비용을 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 해당 연구성과는 나노과학분야 국제학술지 나노 레터스(Nano Letters)에 게재됐다.

*주요논문 및 기사 링크

Siraj Sidhik 외. Two-dimensional perovskite templates for durable, efficient formamidinium perovskite solar cells, Science

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq6993

유재연 외. Stabilizing Li Growth Using Li/LLZO Composites for High-Performance Li-Metal-Based Batteries, Advanced Functional Materials

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202470011

위태웅 외. Cathode Electrolyte Interphase Engineering for Prussian Blue Analogues in Lithium-Ion Batteries, Nano Letters

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c01971

석용욱 외. High-Field Electron Transport and High Saturation Velocity in Multilayer Indium Selenide Transistors, ACS Nano

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c11613

Robert Kunzig. WATER BATTERIES, Science

https://www.science.org/content/article/how-giant-water-batteries-could-make-green-power-reliable

◆ 떼어놓을 수 없는 짝궁이 된 바이오헬스-AI

 바이오헬스분야는 AI와 접목한 다양한 연구성과들이 소개됐다.[사진=네이처, 사이언스, ACS Nano]

바이오헬스분야에선 AI의 접목이 늘어나고 있음을 확인할 수 있었다. 지난 6월 13일 국제학술지 네이처(Nature)는 표지논문으로 존 점퍼(John M. Jumper) 구글 딥마인드 연구원 공동연구팀의 알파폴드(AlphaFold)3의 개발소식을 전했다. 알파폴드는 지난 2018년 최초 공개된 뒤 단백질 구조예측의 획기적인 예측성능 향상을 이끌었다. 이번 알파폴드3는 범위를 확장하여 항체-항원 상호작용, RNA 및 DNA, 이온 등 다른 분자와 단백질 사이의 상호작용도 예측할 수 있는 것이 특징이다.

4월 19일자 사이언스지는 데이비드 베이커(David Baker) 미국 워싱턴대 단백질설계연구소 생화학과 교수팀의 단백질 설계 딥러닝 방법을 소개했다. 이번 연구는 소분자, 핵산, 기타 비단백질 성분과 복합체를 이루는 단백질 구조를 예측하고 비단백질 화합물과 결합하는 새로운 단백질의 설계를 가능하게 하는데 의의가 있다. 

상처봉합과 모니터링이 동시에 가능한 독특한 의료용 바늘과 실도 개발됐다. 이재홍 DGIST 로봇및기계전자공학과 교수 연구팀은 연세대와 고려대 의대 연구팀과의 공동연구를 통해 ‘인체 삽입형 무선 헬스 모니터링 전자봉합사’ 시스템을 개발했다. 이번에 개발된 무선 삽입형 스트레인 센서는 의료용 바늘과 실이 결합돼 상처를 봉합하는 동시에 상처부위를 모니터링할 수 있다. 특히 별도의 칩이나 배터리 없이 무선으로 모니터링이 가능한 것도 특징이다. 이번 연구성과는 지난 5월 ACS Nano 표지논문으로 소개됐다.

*주요논문 및 기사 링크

Josh Abramson 외. Accurate structure prediction of biomolecular interactions with AlphaFold 3, Nature

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07487-w

Rohith Krishna 외. Generalized biomolecular modeling and design with RoseTTAFold All-Atom, Science

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl2528

이무근 외. Postoperative Long-Term Monitoring of Mechanical Characteristics in Reconstructed Soft Tissues Using Biocompatible, Immune-Tolerant, and Wireless Electronic Sutures, ACS Nano

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c00396

Xiaoyu Chen 외. Antisense oligonucleotide therapeutic approach for Timothy syndrome, Nature

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07310-6

Nicole D. Sonnert 외. A host–microbiota interactome reveals extensive transkingdom connectivity, Nature

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07162-0

◆ 양자물리학의 한계를 넘는 꿈의 기계

지난 3월 사이언스의 표지를 장식한 ‘뮤온샷’.[사진=사이언스]

IBM은 지난 3월 네이처를 통해 양자컴퓨터의 오류를 큰폭으로 줄일 수 있는 오류 수정 프로토콜을 제시했다. 큐비트(Qubit)의 수가 늘어날수록 양자컴퓨터의 성능은 높아지지만 오류 역시 함께 늘어나는 것이 문제점으로 지적된다. 이를 해결하기 위해 오류를 감지하고 수정하는 추가적인 큐비트를 ‘오버헤드’라고 부른다. IBM은 이 오버헤드의 수를 크게 줄임으로써 효율을 향상시켰다.

사이언스는 지난 3월 ‘뮤온샷(MUON SHOT)’이라는 글씨가 포함된 표지를 소개했다. 뮤온은 우주를 이루는 기본 입자 중 하나로 지구로 향하는 우주방사선이 대기와 부딪히며 발생하는 2차 우주선에 포함된다. 사이언스는 특집기사를 통해 뮤온충돌기를 ‘꿈의 기계(The Dream Machine)’로 소개하며 무온충돌기가 기존 입자가속기의 한계를 넘어 물리학적 입자 특성 규명연구에 큰 역할을 할 것으로 소개했다.

지난 6월 3일에는 새 양자실험 플랫폼의 연구가 소개됐다. 세바스찬 윌(Sebastian Will) 미국 컬럼비아대 물리학과 교수팀이 최초로 나트륨(Na)과 세슘(Cs)이 결합한 분자들을 약 5nK(나노캘빈·10억분의 1K)에서 BEC(보스-아인슈타인 응축체) 상태로 만드는데 성공했다. 입자들은 온도가 절대영도(0K)에 가까워질수록 정지상태가 되며 독특한 양자 현장을 보인다. BEC는 전기적 극성을 띤 쌍극성 분자를 극저온 상태를 의미하며, 이번 연구를 통해 양자역학의 최신 이론을 검증할 수 있을 것으로 전망된다.

*주요논문 및 기사 링크

Sergey Bravyi 외. High-threshold and low-overhead fault-tolerant quantum memory, Nature

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07107-7

Adrian Cho. THE DREAM MACHINE, Science

https://www.science.org/content/article/muon-collider-could-revolutionize-particle-physics-if-it-can-be-built

Niccolò Bigagli 외. Observation of Bose–Einstein condensation of dipolar molecules, Nature

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07492-z

◆ 사망직전에 이른 아마존강···연이은 기후변화 경고

 산불과 홍수를 연이어 다룬 네이처.[사진=네이처]

기후변화의 경각심을 일깨워주는 논문들도 소개되고 있다. 네이처는 지난 3월호 표지로 산불의 이미지를 실었다. 이는 지난해 8월 캐나다에서 발생한 산불의 관련 이미지였다. 카이웨이 루오(Kaiwei Luo) 캐나다 앨버타대 재생가능자원학과 연구원 연구팀은 2만 건 이상의 북미지역 산불 사례 조사를 통해 야간화재의 원인이 기후변화로 인한 가뭄임에 대한 연구를 발표했다.

바로 후속호에선 홍수의 이미지가 표지로 선정됐다. 네이처는 레너드 오헨(Leonard O. Ohenhen) 미국 버지니아공대 교수 연구팀의 논문을 소개하며 미국 해안도시들의 홍수위험성을 경고했다. 연구에 따르면 육지 고도 변화와 해수면 상승에 따라 오는 2050년 미국 해안도시 중 32개 도시가 홍수로 인해 피해를 입을 것으로 예측된다.

지난 2월에는 사이언스와 네이처가 아마존의 붕괴 위험성을 경고했다. 먼저 사이언스지는 특집기사를 통해 아마존강의 지난 연구들을 소개하며 수위가 낮아지고 있음을 소개했다. 특히 ‘사망직전’이라는 극단적인 표현을 통해 심각성을 강조했다. 네이처는 마리나 히로타(Marina Hirota) 브라질 산타카타리나연방대 생태학과 교수 연구팀의 논문을 소개하며 아마존 열대우림이 기후변화의 스트레스로 인해 2050년 생태계 복원이 불가능한 수준을 맞을 것이라고 예측했다.

 같은 시기 아마존 환경문제 이슈를 다룬 네이처와 사이언스.[사진=네이처, 사이언스]

*주요논문 및 기사 링크

Kaiwei Luo 외. Drought triggers and sustains overnight fires in North America, Nature

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07028-5

Leonard O. Ohenhen 외. Disappearing cities on US coasts, Nature

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07038-3

Daniel Grossman. A RIVER IN FLUX, Science

https://www.science.org/content/article/amazon-river-may-altered-forever-climate-change

Bernardo M. Flores 외. Critical transitions in the Amazon forest system, Nature

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06970-0