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화학과 서성은 교수가 참여한 한·미 국제 공동 연구팀이 아라인(Aryne) 활용 유기합성 방법에 대한 리뷰 논문을 발표했다. 아라인 합성은 제약·재료과학 분야에서 매우 관심이 높은 연구 주제로, 이번 연구 성과는 새로운 물질과 신약을 개발하는 과정에 의미 있게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.논문의 제목은 ‘아라인 화학: 생성 방법과 다중 아라인 반응(Aryne Chemistry: Generation Methods and Reactions Incorporating Multiple Arynes)’으로 저명 학술지 <케미컬 리뷰스(Chemical Reviews, 영향력 지수(Impact Factor) 51.4점, JCR 랭킹 상위 0.2%)> 10월9일자 온라인판에 실렸다. 이 저널은 과학 분야에서 손꼽히는 최상위권 학술지로 미국화학회(American Chemical Society)가 발행한다. 공동 연구팀에는 아주대 서성은 교수(화학과)와 미국 펜실베니아대(University of Pennsylvania) 데이비드 체노웨스(David M. Chenoweth) 교수가 공동교신 저자로 참여했고, 아주대 차세대에너지과학연구소 소속의 김나영 연구원과 최명수 연구원이 공동 제1저자로 이름을 올렸다. 리뷰 논문(Review article)이란 특정 주제에 대해 축적된 연구 방법 및 결과를 종합하고 분석하는 형식의 논문을 말한다. 해당 분야에서 많은 경험과 노하우를 보유한 연구자가 통찰력 있는 리뷰 논문을 발표할 수 있고, 이는 상당한 학술적 의미를 가진다. 아라인(Aryne)은 방향족 고리에 삼중결합이 포함되어 있어 매우 반응성이 높은 화학물질로, 지난 1953년 미국 캘리포니아공과대학교의 故 존 로버츠 교수(John D. Roberts)에 의해 그 구조가 처음 실험적으로 증명됐다. 이후 약 70년이 지난 지금까지 아라인은 다환 방향족 화합물을 신속히 합성하는 데에 매우 유용한 빌딩 블록으로 사용되어왔다. 활용 범위가 매우 넓으며, 대표적으로 나노그래핀(nanographenes)과 신약 개발의 기초가 되는 천연물 합성 그리고 생리활성분자, 고분자, 유기전자재료 등의 합성에 매우 유용하게 이용되고 있다. 아라인은 높은 반응성으로 인해 그 자체를 반응에 투입하여 사용할 수 없고, 아라인을 생성하기 위한 전구체 형태로 반응에 첨가한 후 활성화시키는 방식으로 쓰이고 있다. 알려진 전구체 활성화 방법만 130개가 넘을 정도로 국내 연구진을 비롯한 전 세계의 많은 연구팀에서 아라인 전구체를 활발히 개발해 왔다. 이번 논문에서 아주대-펜실베니아대 공동 연구팀은 현존하는 모든 아라인 전구체를 최초로 총정리해 그 의미와 한계를 분석했다. 높은 아라인의 반응성을 활용한 다중 아라인 반응도 정리하여 소개했다.공동 연구팀은 구조적으로 불안정한 아라인의 경우 반응성이 높아 방향족 고리 합성에 활용도가 높은 반면, 양날의 칼과 같이 그 반응성을 조절하는 것이 매우 어렵다고 설명했다. 하지만 이러한 특성을 잘 활용한다면 표적 분자 합성을 더욱 쉽고 빠르게 할 수 있어, 제약 분야에서 복잡한 천연물 합성에 활용할 수 있다. 대표적인 예로 지난 2017년 국내 연구팀에서 두 아라인 분자를 활용한 천연물인 닌갈린 D와 G(Ningalin D와 Ningalin G)를 합성한 사례가 있다.아주대 서성은 교수는 “아라인의 높은 반응성을 조절하면 수많은 화합물을 신속히 합성할 수 있어, 에너지·재료·제약 분야에서의 신물질 및 신약 개발에 유용하게 사용될 수 있다”라며 “특히 이번 논문에 소개된 아라인 생성 방법 및 다중 아라인 반응은 화학과 관련한 전 과학 분야에서 의미 있게 활용될 수 있을 것”이라고 전했다. 이번 연구는 대학기초연구소(G-LAMP·지-램프) 사업, 자율운영중점연구소 지원사업, 부처 협업형 인재양성사업, 기본연구 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.대학기초연구소(G-LAMP·Global Learning & Academic research institution for Master’s·PhD students, and Postdocs, 지-램프) 사업은 기초과학분야의 혁신적 공동 연구를 지원하기 위한 교육부 사업으로, 아주대는 2023년 이 사업에 선정되어 오는 2028년 8월까지 총 236억원을 지원받는다. 아주대는 물질·에너지과학 분야에 참여하고 있으며, 차세대에너지과학연구소(소장 박지용 교수)를 연구과제를 수행할 중점테마연구소로 지정해 운영하고 있다.반응성이 매우 높은 화학물질인 아라인(Aryne)을 활용해 천연물과 신규 금속촉매를 합성하는 과정을 설명한 그림. 반응성이 높아 합성 활용 범위가 넓지만, 동시에 그 반응성을 적절히 조절하기 어렵다는 아라인의 특성을 잘 활용하면 표적 분자 합성을 더욱 쉽고 빠르게 할 수 있다.* 위 사진 - 왼쪽부터 아주대 차세대에너지과학연구소의 김나영 연구원, 최명수 연구원, 아주대 서성은 교수, 미국 펜실베니아대 데이비드 체노웨스(David M. Chenoweth) 교수. 김나영·최명수 연구원은 미국 사우스플로리다대학(University of South Florida)에 G-LAMP 방문연구원으로 파견 중이다.
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- 작성일2024-11-05
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(좌측부터) 이범진 약학대학 교수, Nguyen Dinh Hy 연구원과 Advanced Science 논문 게재면약학대학 이범진 교수 연구팀이 환자 편의성을 대폭 개선한 나노 현탁 주사제를 개발하는데 성공했다. 이 연구는 약물 방출을 안정적으로 유지하면서 초기 급격한 방출을 억제하는 새로운 방식의 주사제를 제시한 것으로, 저명한 학술지 'Advanced Science'에 게재됐다. 논문은 Nguyen Dinh Hy 연구원이 제1저자로 참여했다. 연구팀은 pH(용액의 수소 이온 농도 지수) 감응성 나노구조 재배열 기술을 통해 퀘티아핀(QTP)의 친유성 프로드러그(체내에서 약리학적 활성 약물로 전환되는 비활성인 약물 또는 화합물)인 퀘티아핀 미리스테이트(QM)를 활용한 자가 조립 나노현탁액(QMN)을 개발했다. 이 기술을 통해 혈중 약물 농도를 한 달간 유지하고, 기존 주사제에서 발생하던 초기 급격한 약물 방출 문제를 해결했다. 또한 주사 바늘의 크기를 줄여 환자의 편의성을 크게 높였다.실험 결과, QMN은 생리적 pH 환경에서 나노구조의 재배열을 통해 초기 급속한 약물 방출 없이 안정적으로 약물이 전달되었으며, 실험견(견종 비글)을 대상으로 한 실험에서 한 달간 혈중 농도가 지속되었다. 이번 연구는 기존 폴리(락티드-코-글리콜라이드)(PLGA) 기반 장기지속형 주사제에서 자주 발생하던 초기 대량 폭발 방출, 세포 독성 등의 문제를 크게 개선했다. 연구팀은 이를 통해 환자의 치료 효율성을 높일 수 있다고 밝혔다.또한, 연구팀이 개발한 'Fattigation platform' 기술은 다양한 지방산을 약물에 포접시키는 독창적인 방식으로, 초기 급격한 방출이 억제된 장기지속형 주사제뿐만 아니라 암 치료 표적화, 난용성 약물의 가용화 등 다양한 약물 전달 시스템 개발에도 기여할 것으로 기대된다.이번 연구는 장기 지속형 주사제의 혁신적 발전을 이루며, 치료 효율성과 환자 편의성을 크게 높일 수 있는 중요한 성과로 평가받고 있다. 한편, 이범진 교수와 Nguyen Dinh Hy 연구원은 모두 4단계 BK21사업 'Barriome제어 혁신신약개발 미래인재양성 교육연구팀'에 참여하고 있으며 이번 연구도 사업의 지원을 받아 진행됐다.
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- 작성일2024-10-16
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우리 학교 기계공학과 이진우 교수 연구팀이 인공지능(AI)을 이용해 목표 주파수 대역에서 소음을 대폭 줄일 수 있는 새로운 소음기 설계 기법을 개발했다. 기존 소음기 설계의 한계를 극복함으로써 자동차와 가전제품, 공장 등의 배기 및 냉난방 시스템의 소음 저감에 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.기계공학과 이진우 교수는 인공지능을 이용해 음향 해석을 수행하고 역전파법과 생성적 설계 기법을 활용해 목표 주파수 대역에서 소음을 대폭 줄일 수 있는 음향 최적 설계 기법을 개발했다고 밝혔다.해당 내용은 ‘인공 신경망 모델의 역전파법을 활용한 딥러닝 기반 최적 소음기의 생성적 설계(Deep-learning-based generative design for optimal silencer using backpropagation of artificial neural network model)’라는 제목으로 인공지능 관련 학술지 <어드밴스트 엔지니어링 인포맥택스(Advanced Engineering Informatics(JCR ENGINEERING, MULTIDISCIPLINARY 부분 상위 2.0%)> 2024년 10월자에 게재될 예정이다(온라인판 8월 게재). 해당 연구에는 안병현 박사(현 HD현대일렉트릭, 위 사진 오른쪽)가 제1저자로, 이진우 교수(위 사진 왼쪽)가 교신저자로 참여했다.소음기란 자동차와 가전제품, 전차, 플랜트 등에서 발생하는 덕트 소음(배관을 통해 토출되는 소음)을 줄이기 위해 이용되는 음향 장치다. 기존에 활용되던 소음기는 설계자의 과거 경험이나 직관에 의존하여 설계되어왔고, 다른 대안으로 제시되어온 형상·위상 최적화 기법 역시 민감도 계산에 소요되는 시간과 소음 저감 성능 개선의 어려움 등 여러 한계를 보여왔다.이에 아주대 연구팀은 인공 지능을 활용해 주파수에 따라 변화하는 민감도 해석 기법을 세계 최초로 개발, 소음기 설계 분야에 새로운 연구 방향을 제시했다. 연구팀은 이 방법으로 설계된 소음기에 대한 성능 평가 실험을 통해 그 유효성도 입증해냈다.이진우 교수는 “이번에 제안한 방법을 활용하면 짧은 시간 내에 목표 주파수 대역에서 소음을 대폭 줄일 수 있는 다양한 구조의 소음기를 대량으로 설계할 수 있다”며 “제작 편의성을 고려해 소음기를 선택할 수 있어 앞으로 자동차, 가전제품, 전차와 플랜트 등의 배기 시스템과 냉난방 공조 시스템의 덕트 소음 저감에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.이번 연구는 한국연구재단 개인 기초 연구 사업-중견 연구 과제의 지원을 받아 수행됐다. 연구팀은 앞으로도 인공 지능 기반 음향·진동 해석과 설계에 관한 후속 연구 결과를 연이어 발표할 예정이다.연구팀이 개발한 프로그램으로 최적 설계된 소음기 내부 구조, 목표 주파수 대역에서 소음 저감 성능이 대폭 향상된 것을 알 수 있다. 이번 연구에서 개발한 소음기 설계 기법을 반영한 GUI(Graphic User Interface) 프로그램(출처: Advanced Engineering Informatics)
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- 작성일2024-10-08
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우리 학교 기계공학과 연구팀이 날갯짓 드론에 적용할 수 있는 ‘감각 비행’ 제어기술을 개발하는 데 성공했다. 스스로 바람을 감지하고 목표 위치까지 비행할 수 있는 스파이 로봇, 탐험 및 재난구조 로봇 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 아주대 기계공학과 자연모사실험실 강대식·고제성·한승용 교수팀은 날갯짓 드론의 독자적 비행 제어기술을 개발했다고 밝혔다. 해당 내용은 ‘강화 학습을 통한 날갯짓 드론의 스트레인 기반 비행 제어(Wing-strain-based flight control of flapping-wing drones through reinforcement learning)’라는 제목으로 9월20일자 <네이처 머신 인텔리전스(Nature Machine Intelligence)> 표지논문으로 게재됐다. 우리 학교 김태위 박사, 홍인식 박사, 임성훈 학생이 공동 제1저자로 함께 참여했다.새나 곤충은 비행할 때 감각 비행(fly-by-feel)을 통해 날개와 몸에 느껴지는 바람의 압력과 공기의 흐름을 감지, 방향과 속도를 조절한다. 감각 비행 제어 기술을 활용하면 카메라나 GPS 등의 복잡하고 무거운 센서를 사용하지 않고도 주위 환경 변화를 인지할 수 있어 기동성과 에너지 효율을 높일 수 있다.날갯짓 드론은 잠자리나 나방과 같은 비행 곤충의 비행 능력을 모방해 만들어져, 프로펠러 방식의 회전익 드론보다 구조체가 유연하고 부드럽다. 이에 충돌에 강하고, 소음저감 효과도 우수해 효율적 초경량 드론 모델로 주목받고 있다. 하지만 날갯짓 드론은 회전익 드론의 제어 방식을 사용하고 있어, 정지 체공은 가능하지만 바람을 타고 비행하는 장거리 비행에는 한계가 있다. 이에 아주대 연구팀은 날갯짓 드론의 독자적 제어 시스템 개발을 위해 비행 곤충의 날개에 위치한 종 모양의 감각 기관(Campaniform Sensilla)에 착안했다. 잠자리나 나방 같은 비행 곤충은 감각 기관인 컴패니폼 센실라를 통해 바람에 의한 날개의 변형 정도를 감지, 신속하게 비행을 제어한다. 잠자리의 날개 하나에만 약 80여 개의 감각기관이 분포하고 있는 것으로 보고되고 있다. 연구팀은 컴패니폼 센실라를 모사한 초경량 고민감도 균열 센서를 개발, 이를 날갯짓 드론에 부착해 날개 변형에 따른 신호 변화를 수집했다. 또 머신 러닝 기술을 활용, 날개 변형 정보 속에 드론 비행 제어에 필요한 바람의 방향과 속도 정보가 포함되어 있음을 확인했다. 연구팀은 새로 개발한 비행 제어 시스템이 날개 변형 정보를 통해 비행 중 바람의 방향과 세기를 80%의 높은 정확도로 분류함을 확인했다. 바람이 부는 환경에서는 드론이 목표 지점으로 날아가 위치를 유지했고, 바람이 불지 않는 환경에서는 스스로 비행 경로를 추적해 사용자가 지정한 6가지 경로로 비행했다. 강대식 교수는 “이번 연구는 기존에 없던 날개변형 정보 기반의 날갯짓 드론 제어 시스템을 개발하고, 실효성을 검증한 데 의의가 있다”라며 “이번 결과가 정지 체공 뿐 아니라 글라이딩이 가능한 날갯짓 드론 개발의 단초가 되길 기대한다”라고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 중견연구 지원으로 수행됐다. 날갯짓 곤충과 날갯짓 드론에서 날개 변형을 감지하는 메커니즘* 위 사진 : 아주대 기계공학과 자연모사실험실 교수진. 사진 왼쪽부터 강대식·고제성·한승용 교수
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- 작성일2024-10-08
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조인선 교수가 참여하는 산학연 공동 연구팀이 폐타이어를 기반으로 한 배터리 소재 기술 개발에 나선다. 대기오염을 가중시키는 폐타이어 문제를 해결하고, 그동안 해외 기술에 의존해온 친환경 배터리 소재 기술의 국산화가 가능할 것으로 기대된다. 조인선 교수(첨단신소재공학과∙대학원 에너지시스템학과)는 산업통상자원부와 한국산업기술기획평가원이 주관하는 '소재부품기술개발 이종기술융합형' 과제에 선정됐다고 밝혔다. 아주대학교, 엘디카본, 성균관대학교, 한국소재융합기술원이 산학연 공동으로 참여하는 연구 프로젝트로, ‘폐타이어 기반 배터리 등급 카본복합 도전재 기술개발 및 사업화’를 목표로 한다. 앞으로 30개월 간 33억원의 연구비가 지원된다.폐타이어는 전 세계적으로 매년 약 3100만톤씩 배출되고 있다. 그 중 상당량이 소각 처리되는데, 소각 과정에서 1600만톤 이상의 이산화탄소가 배출된다. 특히 국내에서는 매년 약 37만~39만톤의 폐타이어가 발생하며, 이 중 90% 이상이 재활용되지만 대부분 소각을 통해 열에너지로 사용되고 있어 대기오염 문제를 가중시키고 있다.공동 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 폐타이어를 활용한 ‘고전도성 카본복합 도전재’ 개발을 목표로 하고 있다. 현재 배터리 산업에서 사용되는 도전재는 대부분 해외에서 수입된 카본블랙에 의존하고 있어 국산화의 필요성이 대두되고 있는 소재다. 연구팀은 폐타이어를 열분해해 얻은 고형 잔재물을 활용해 친환경 카본블랙 도전재를 개발하고, 이를 통해 배터리 성능 개선과 동시에 환경 보호에도 기여하겠다는 포부다.공동 연구팀은 기존 석유 기반 공정에 비해 50% 이상 탄소 배출을 줄일 수 있는 친환경 공정으로 폐타이어 기반 카본블랙 도전재를 생산할 계획이다. 또한 기존 카본블랙 대비 30% 이상의 가격 경쟁력을 확보, 향후 국내 배터리 산업의 도전재 국산화와 함께 새로운 시장 개척의 기회를 창출할 수 있을 것으로 기대하고 있다.조인선 교수는 "환경 오염을 유발하는 폐타이어를 통해 고부가가치 친환경 배터리 소재를 개발한다는 의미에서 중요한 연구”라며 “이번 연구를 통해 폐기물 재활용과 탄소 저감 기술 개발에 기여하고, 친환경 배터리 시장에서 선도적 역할을 해 나가겠다”라고 전했다.
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- 작성일2024-09-19
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