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[제14편] 캘리포니아공과대학교를 빛낸 노벨상수상자들

[제14편] 캘리포니아공과대학교를 빛낸 노벨상수상자들 [이미지]
  • 작성2017-07-07
  • 조회4,150
  • 시설Caltech(캘리포니아공과대학교)
노벨수상자
아흐메드 하산 즈웨일 칼 데이비드 앤더슨 토머스 모건 로버트 밀리컨
주요정보
  • About
    노벨과학상, [제14편] 캘리포니아공과대학교를 빛낸 노벨상수상자들

    캘리포니아 공과대학은 1891년, 패서디나 지역의 실업가이자 정치가였던 에이머스 스루프(Amos Throop)에 의해 설립된 직업교육기관에서 출발했다. 이후, 기술전문학교로 개편되었고(1907년), 1921년 현재의 이름으로 교명을 변경하면서 MIT와 더불어 세계적인 과학인재교육 기관으로서의 터전을 마련하기 시작하였다.

    미국에서 가장 우수한 공과대학으로 발전할 수 있었던 데에는 설립 역사와 대학 규모보다는 탁월한 교수 인력 구성에 있다. 1907년, 천문학의 거장 조지 홀(George Hale)을 영입하였고, 1921년에는 화학의 아더 노이스(Arthur Noyes), 물리학의 로버트 밀리칸(Robert Millikan) 등 세계적인 대학자를 영입하였으며, 1931년에는 알버트 아이슈타인(Albert Einstein)이 방문교수로 재직하였다. 2005년, 명왕성과 유사한 행성인 에리스(Eris)를 발견, 명왕성의 행성 지위 박탈에 결정적 공헌을 한 마이클 브라운(Michael E. Brown) 교수 역시 이 학교 행성천문학 교수로 재직하고 있다. 뿐만 아니라 교수의 33%가 미국국립과학아카데미(The National Academy of Science)와 국립공학한림원(The National Academy of Engineering)회원이자 미국 인문·과학 아카데미(The American Academy of Arts and Sciences) 회원이기도 하다. 이렇듯 캘리포니아 공과대학은 탁월한 교수 인력을 영입하여 우수한 공과대학으로 발전할 수 있었다.

    또한 학생들은 캘리포니아 공과대학에서 운영하고 있는 연구소에서 다양한 연구 프로그램을 통해 각 분야의 전문 교수와 연구원, 기술자들을 만나 다양한 경험과 실력을 쌓을 수 있는 기회를 얻을 수 있다. 이를테면 토성의 위성 지표층 아래에서 물을 탐지하는 연구, 중력파의 존재를 실험적으로 검출하는 연구, 화학반응을 하는 분자의 사진을 찍는 연구 등의 고급 연구들을 일반 대학원 연구실 수준에서 진행하고 있다. 탐사위성(파이오니어, 보이저) 및 화성탐사선(큐리오시티, 스피릿, 오퍼튜니티), 토성탐사선 (카시니)과 이를 제어하는 우주네트워크를 개발하고 관리 중인 제트추진연구소(JPL, Jet Propulsion Laboratory)가 이 학교 소속의 연구소들 중 하나이며, 유명한 팔로마 천문대도 이 학교 소속의 시설이다. 캘리포니아 공과대학 학생들은 이러한 유명한 연구소에서 다양한 연구 프로그램에 참여할 수 있다.

    캘리포니아 공과대학에는 2016년 기준으로 2,250여 명의 학생이 재학하고 있다. 대학 재학생 수는 약 979명이고, 대학원 재학생 수는 약 1,261명, 교원 수는 300명이다. MIT의 대학생 수가 4,524명, 대학원생 수가 6,852명인 것에 비하면 학생수가 1/3정도 밖에 되지 않는다. 소수 정예를 지향하는 학교로 학생 대 교수의 비율이 3:1 밖에 되지 않기 때문에 각 학생들은 실력 있는 교수 아래서 심도 있는 연구 활동을 할 수 있다.

    현재 생물학·생물공학(Biology and Biological Engineering), 화학·화공학(Chemistry and Chemical Engineering), 공학·응용과학(Engineering & Applied Science), 지질·천체 과학(Geological & Planetary Sciences), 물리·수학·천문학(Physics, Mathematics & Astronomy), 인문 사회과학(The Humanities & Social Sciences) 분야의 학과가 개설되어 있다는 점에서 알 수 있듯이 공학과 과학 분야의 교육과 연구에 역점을 두고 있다. 학부 과정의 학생들이 가장 많이 선택하는 전공은 물리학, 화학공학, 전기공학, 기계공학, 전산학이다.

    소수정예 영재교육을 추구하는 학풍 덕에 학교 규모는 작아도 학생들의 실력은 우수하다. 2017년에 영국의 QS(Quacquarelli Symonds)가 실시한 세계 대학 평가 (연구, 교육, 졸업생, 국제화 4개 부문을 주요 지표로 세계 대학을 평가)에서 5위를, <타임즈(TIMES)> 평가에서는 세계대학 순위 2위를 차지하였다.

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  • Student-faculty program

    캘리포니아 공과대학은 하계 재학생 장학 연구(SURF: Summer Undergraduate Research Fellowship), 레이저 간섭 중력파 관측소 하계 장학연구(LIGO SURF: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory Summer Undergraduate Research Fellowship), 교환학생제도, JPL/NASA 등 다양한 학생 연구 프로그램을 운영하고 있다. 이를 통해 학생들은 각 분야의 전문가 및 경험자들과 소통하고 지식을 교류할 수 있는 기회를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 세계 방방곡곡에서 다른 문화와 연구 환경을 경험할 수 있어 미래의 국제 협력과 공동 연구에 큰 도움이 되는 경력을 쌓을 수 있다.

    SURF

    캘리포니아 공과대학은 재학생들이 연구에 직접 참여하도록 독려한다. 하계 재학생 장학 연구(SURF: Summer Undergraduate Reaserch Fellowship)는 각 분야에서 연구하고 있는 멘토들의 지도 아래 연구의 처음부터 끝까지 모든 연구의 과정을 경험해 볼 수 있는 프로그램이다.

    학생들은 먼저 멘토와의 상의를 통해 그들의 프로젝트에 대한 연구 제안서를 작성한다. 교수는 그들의 제안서를 검토 하고 지원금을 제안한다. 여름 중 10주 넘는 기간 동안 학생들은 계획한 연구를 실행에 옮긴다. 학생들은 논문을 제출하고, 전문가들이 한자리에 모이는 하계 재학생 장학 연구(SURF) 세미나 혹은 학술 토론회에서 발표하는 것으로 이 프로그램은 끝이 난다.

    LIGO SURF

    재학생은 레이저 간섭 중력파 관측소 하계 재학생 장학 연구(LIGO SURF: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory Summer Undergraduate Reaserch Fellowship)에 참여할 수 있다. 학생들은 LIGO SURF 프로젝트의 기술자, 교수, 선배, 엔지니어들에게 개인적으로 지도와 관리를 받아 중력 물리학, 천체물리학, 도량형학, 광학, 레이저, 기계 시스템, 제어, 전자공학 등 넒은 분야를 연구를 통해 접해 볼 수 있다.

    EXCHANGES

    하계 재학생 연구 지원 교환학생 프로그램을 통해 국제적 협력과 공동 연구에 도움이 되는 해외 경력을 쌓을 수 있는 기회를 얻을 수 있다. 2008년에는 아일랜드 대학교와, 2011년에는 광주 과학기술 대학교와 교환학생 프로그램을 시작하는 등 전 세계 다양한 대학과의 협력을 통해 교환학생 프로그램을 실시하고 있다.

    GROWTH(Global Relay of Observatories Watching Transients Happen)

    과도현상 관측소 글로벌 릴레이(GROWTH: Global Relay of Observatories Watching Transients Happen)는 캘리포니아 공과대학이 운영하는 국제 협력 프로그램으로, 주요 연구 목적은 중성자별에서 지구 소행성 주변에 이르기까지 다양한 범위의 우주 과도현상(cosmic transients)을 연구하는 것이다. 매년 GROWTH와 협력한 대학(말텍, 매릴랜드 대학, 밀워키 대학, 샌디에고 대학, 퍼모나 대학) 학생들이 캘리포니아 공과대학과 결연을 맺은 독일, 대만, 인도, 이스라엘, 일본, 스웨덴 국가 연구 기관에서 10주 동안 멘토의 지도하에 하계 연구를 진행한다.

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  • Technology Transfer & Corporate Partnerships
    전세계 캘리포니아 공과대학 출연 기업

    캘리포니아 공과대학의 기술 이전&기업 파트너십 사무소(OTTCP: Office of Technology Transfer and Corporate Partnerships)는 1995년 시작되어, 칼텍과 제트추진연구소의 과학자와 기술자들이 만든 기술을 대중화·상업화하는 연구를 수행하고 있다. 이 사무소는 캘리포니아 공과대학과 업계가 함께 성장할 수 있도록 파트너십을 구축하고 지원하는 역할을 하고 있다.

    사무소의 지원으로 연구원들은 130개의 새로운 신생기업들을 창업하였다. 평균적으로 매년 120개의 미국 특허를 취득하고 있으며, 현재까지 약 1,800개의 특허를 취득하였다.

    캘리포니아 공과대학이 출연한 대표적인 회사로는 전파인식(RFID)칩 제조업체 임핀지(Impinj), 10G/40G용 인터넷기반의 장비를 위한 칩을 개발하는 회사인 풀크럼(Fulcrum Microsystems), 양자점을 이용한 백라이트 기술을 개발하는 나노시스(Nanosys), 생명공학 회사 젠코(Xencor) 등이 있다.

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  • Research Fields
    오웬 밸리 천문대(OVRO: Owens Valley Radio Observatory)
    오웬 밸리 천문대

    1958년에 건설되어 캘리포니아 공과대학이 소유·운영하고 있다. 세계에서 가장 큰 전파 천문대 중 하나다. 이 천문대는 캘리포니아 주 비숍 근처에 위치해 있다. 주로 은하계의 수소 구름을 연구하고 있으며 블레이저와 우주 마이크로파 백그라운드, 별 형성에 관한 연구를 주로 진행하고 있다.

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      40m 망원경40 meter Telescope
      오웬 밸리에 있는 40m 망원경은 최근에 발사된 페르미 감마선 천문 위성을 도와 약 1200개의 블레이저를 관찰하는 새로운 연구 활동을 시작했다.
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      장파장 배열Long Wavelength Array
      오웬스 밸리(Owens Valley)에 존재하는 거대한 전파 망원경들이 빠른 속도로 전체의 전파 신호를 수집하고 있다. 256개의 전파 망원경 안테나가 축구장 넓이의 450배의 면적에 흩어져 하루 25테라바이트에 달하는 데이터를 수집한다.
    레이저 간섭계 중력파 관측소(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)
    레이저 간섭계 중력파 관측소

    레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO: The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)는 세계에서 가장 큰 중력파 관측소이자 최첨단 물리 실험시설이다. 수천 킬로미터 떨어진 곳에 위치한 두개의 거대한 레이저 간섭계로 구성되어 있어 빛과 우주의 물리적 성질을 이용해 중력파의 기원을 탐구하고 있다.
    두 개의 거대한 레이저 간섭계는 미국 워싱턴 주 핸포드, 루이지애나 주 리빙스턴에 위치해있다. 1992년 캘리포니아 공과대학교의 킵 손과 로널드 드리버, 매사추세츠 공과대학교의 라이너 웨이스가 공동 설립하였고, 두 학교 외에도 다른 학교들도 참여한 중력파 천문학의 공동 연구사업으로 시작되였다.

    LIGO는 관측소라 불리지만 대부분 사람들이 흔히 알고 있는 관측소와는 몇 가지 점에서 다르다.

    첫 번째로 광학 망원경이나 전파망원경과는 달리 LIGO는 눈으로 관측 할 수 없는, 보이지 않는 중력파를 감지하는 역할을 한다.

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    두 번째, LIGO는 외부로부터 튜브를 보호하기 위한 폭 10피트, 높이가 12피트인 "L“자 모양의 콘크리트 담을 직경 1.2m, 길이 4km의 두 개의 직선형 진공 튜브로 감싸고 있는 구조물이다. 별이나 우주의 다른 물체로 부터 빛을 모을 필요가 없기 때문에 이미지를 생성하기 위해 전자기 방사선(electromagnetic radiation)을 모아 초점을 맞추는 접시 모양의 구조장치를 필요로 하지 않는다.

    세 번째로 LIGO는 하나만 단독으로는 그 기능을 발휘할 수 없다. 중력파를 관측하기 위해서는 떨어져 있는 같은 모양의 튜브를 반드시 동시에 작동하여야 한다. 그렇게 하여야만 중력파 진동으로부터 오는 신호를 국부 진동과 구분하여 측정할 수 있다.

    2015년 9월 14일, 관측소의 연구진과 LIGO 합동연구진은 중력파를 최초로 관측하였다. 이후, 2017년 6월까지 3번의 중력파 탐지에 성공하였다.

    팔로마 천문대(Palomar Observatory)
    팔로마 천문대

    팔로마 천문대(Palomar Observatory)는 캘리포니아 주 샌디에이고의 팔로마산 해발 1,713m에 위치한 사설 천문대이다. 캘리포니아 공과대학에서 소유·운영하고 있다. 팔로마 천문대는 현재 3대의 대구경 망원경을 보유하고 있다.

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      200인치 헤일 망원경The 200-inch (5.1-meter) Hale Telescope
      1948년에 개발되어 1993년까지 세계에서 가장 크고 효과적인 망원경이었던 200인치 헤일 망원경은 현대 천문학 연구에 큰 역할을 하였는데, 태양 시스템 연구뿐만 아니라 외계행성 탐색, 별의 군집, 진화 분석, 외딴 은하계의 특성을 연구하는데 기여했다.
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      48인치 사무엘 오친 망원경The 48-inch (1.2-meter) Samuel Oschin Telescope)
      최근 48인치 사무엘 오친 망원경(The 48-inch (1.2-meter) Samuel Oschin Telescope)은 빠르게 움직이는 태양계 물체와 가변적이고 진동하는 별들, 불꽃, 신성과 초신성, 감마선의 폭발 그리고 그 밖의 항성 폭발과 같이 휘도와 위치가 변하는 물체의 과도현상(transient phenomena)을 수색하는데 사용되고 있다. 최근에 자동화되어 밤마다 하늘을 스캔하고 풍부한 천문학 자료들을 끌어 모으고 있다.
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      60인치 망원경The 60-inch (1.5-meter) Telescope
      60인치 망원경은 캘리포니아 공과대학과 협력 연구소가 협력하여 자동 운영하는 방식으로 가동하고 있다. 다른 망원경이나 하늘 탐사로 처음 발견된 흥미로운 천문학적 현상들을 추가적으로 관찰하는데 주로 활용되고 있으며, 새로운 장비 기술을 테스트하는 플랫폼으로도 활용되고 있다.
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  • History
    • 1891
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      1891년 캘리포니아 주 패서디나라고 하는 마을에 설립자인 지역 사업가이자 정치가인 애모스 트룹(Amos G. Throop)의 이름을 딴 기술학교인 트룹대학교(Throop University)를 설립하고, 동네 사람들에게 수공예와 각종 기술들을 가르치기 시작했다.

    • 1931
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      알버트 아인슈타인은 2년 동안칼텍의 방문교수 재직하면서 톨먼(Tolman), 로버트 밀리컨(Robert Millikan), 폴 엡스테인(Paul S. Epstein)을 포함한 몇몇의 과학자들과 함께 상대성 이론을 연구하였다.

    • 1948
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      태양 천문학자 조지 앨러리 헤일(George Ellery Hale)이 샌디에이고 북동쪽 팔로마산에 천문대 건립을 위해 록펠러 재단으로부터 600만 달러를 기부받았다. 이 기금을 통해 1948년 헤일 망원경을 완공했다.

    • 1958
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      1958년 1월 31일 인공위성 익스플로어 1호(Explore 1)가 발사되고, 이는 최초의 성공적인 미국 위성 발사이자 소비에트 연방과의 우주 경쟁의 시초가 되었다.

    • 1959
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      1959년 12월 말 물리학회에서 리처드 파인만(Richard Feynman)은 1/64인치 큐브의 전지 모터를 작동시킬 수 있는 첫번째 사람에게 1000달러를 상금으로 내놓았다. 이듬해 11월 윌리엄 맥렐란(William Mclellan)이 리처드 파인만(Richard Feynman) 앞에서 처음으로 모터를 작동시켜 상금을 받았다. 이 마이크로 모터는 1백만분의 1마력의 출력으로 250마이크로그램의 무게가 나가는 AC 전기 모터였다. 이는 1965년 기네스북에 오르기도 하였다.

    • 1974
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      캘리포니아 공과대학에서 박사학위를 받은 빅터 웍(Victor Wouk)이 처음으로 전기 자동차와 하이브리드 자동차를 연구하기 시작했다.

    • 1983
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      천체물리학자 윌리 파울러(Willy Fowler)가 1983년, 우주에서의 화학원소 형성과 관련한 핵 반응 실험으로 노벨상을 수상하였다.

    • 2010
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      2010년 캘리포니아 공과대학은 로렌스 버클리 국립연구소와 협력하여 태양광으로 부터 연료를 추출해내는 기술을 개발하기 위해 ‘미국 에너지국 에너지 이노베이션 허브(DOE Energy Innovation Hub)’를 설립했다.

    • 2013
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      2013년 10월 24일, 캘리포니아 공과대학의 9번째 총장으로 전 시카고 교수였던 토마스 로젠바움(Thomas F. Rosenbaum)이 취임하였다. 그는 양자역학분야의 전문가로 벨 연구소, IBM 왓슨 연구센터에서 연구를 했으며, 시카고 대학 부총장, 아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory) 학장을 거처 캘리포니아 공과대학 총장 자리에 올랐다.

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  • Latest News
    칼텍 정순조 교수팀, 박쥐 모사한 비행 로봇 '배트봇' 개발

    국제학술지 '사이언스 로보틱스'에 연구 성과 발표

    미국 캘리포니아 공과대학 정순조 교수팀이 박쥐를 모사한 생체모방 비행 로봇 ‘배트봇(BatBot:B2)’을 개발했다.

    정승조 교수는 일리노이대(어버나-샴페인 캠퍼스) 세스 허친슨(Seth Hutchinson) 교수, 알리레자 라메자니(Alireza Ramezani) 박사 등과 공동으로 배트봇을 개발하고, 관련 연구 성과를 미국과학진흥협회(AAAS)가 발간하는 국제학술지 ‘사이언스 로보틱스(Science Robotics)’에 발표했다. 정 교수팀은 작년 스톡홀롬에서 열린 ‘ICRA 2016’에서 관련 논문을 발표한 바 있다.

    연구팀이 박쥐에 주목한 이유는 박쥐의 놀라운 민첩성과 비행 능력 때문이다. 새와 달리 박쥐 날개는 40 이상의 자유도(DoF)를 갖고 있는 ‘변형 근골격 시스템(metamorphic musculoskeletal system)’으로 이뤄져 있다.

    날개짓을 하면 날개 부위의 뼈가 유연하게 변형되는 특징을 갖고 있다. 또한 날개 표면이 이방질(異方質:anisotropic)의 날개막(wing membrane)으로 이뤄져 피부의 강도를 조절할 수 있다. 이와 같은 복잡한 날개 구조는 박쥐에게 놀라운 민첩성을 제공한다.

    정 교수팀은 박쥐의 날개가 갖고 있는 자유도를 전부 복제하기 보다는 5개로 줄였다. 어깨 움직임, 다리와 꼬리의 움직임 등이 가능하도록 했다. 자유도를 대폭 줄였지만 실제 박쥐의 57%를 상회하는 운동 역학을 구현했다. 배트봇의 크기는 이집트 과일박쥐와 동일하다. 날개길이 47cm, 무게 93g이다. 날개는 유연성 실리콘 막으로 만들어졌으며 막의 두께는 56μm로 매우 얇다.

    연구팀은 배트봇이 비행하는 동영상도 공개했다. 직선 비행, 선회 비행, 급속 하강 등 동작이 가능하다. 배트봇은 기존 쿼드콥터 드론과 달리 프로펠러(로터)가 없기 때문에 충돌시에도 큰 손상을 입지않으며, 프로펠러가 돌아가는 소리도 들리지 않는다.

    전문가들은 그동안 비행 로봇의 대명사로 여겨졌던 드론이 값싸게 만들 수 있다는 장점이 있지만 최선의 비행 플랫폼으로 보기는 힘들다는 의견을 내놓고 있다.

    이번에 개발된 배트봇이 비행 로봇의 새로운 플랫폼을 제시할 수 있을지 주목되고 있다. 정 교수팀은 배트봇이 비행 로봇의 성배와 같다며 연구 성과에 자신감을 나타냈다. 배트봇은 충돌 위험이 높은 곳에서 작업을 해야하는 재난 구조 현장이나 건축 인프라 점검 등 작업에 활용될 수 있을 것으로 보인다.

    이미징 기술로 암 수술을 감축

    칼텍의 리홍왕 교수가 이끄는 광학 상영 연구실의 엔지니어들이 개발한 이미징 기술 덕분에 여러번에 걸쳐 유방암 종양을 제거해 왔던 수술이 간편해 졌다. 매년 약 300,000개의 새로운 종류의 유방암이 발견되고 있다. 이중 60-75%의 환자들이 유방보존 수술을 받는다.

    유방 보존 수술 혹은 소괴 절제술은 가능한 가슴 조직에 피해가 가지 않도록 하며 전체 종양을 제거하는 것이다. (반대로, 유방절제 술은 전체 유방을 절개 하는 수술이다.) 수술을 위해 채취한 조직은 연구실로 보내져 얇은 조각들로 분리되어 밝은 색으로 염색한 후 분석하는데, 만약 이때 종양 세포가 샘플 조직의 표면에서 발견된다면 종양의 부분은 환자의 신체에 남아 추가적인 제거 수술이 필요하다.

    1-2주의 연구결과를 기다린 끝에 20-60%의 환자들이 남은 종양을 제거하기 위해 2차 수술을 받으러 돌아 와야 한다.

    “만약 우리가 분석하고 추가 수술까지 기다리는 시간을 없앨 수 있다면 어떨까요? 3D 광음향 현미경으로 수술실에서 바로 종양을 분석하여 더 많은 조직이 제거 되어야 하는지 알아 낼 수 있다면 가능할 것입니다.”

    리홍 왕은 칼텍 응용과학 엔지니어 부서의 전기공학 및 의료공학과의 교수다.

    광음향 현미경 혹은 PAM은 저에너지 레이저로 조직 샘플을 자극하여 조직을 진동 시킨다. 장비는 조직에서 나오는 초음파를 측정하며, 핵이 주변 물질 보다 더 강하게 진동하기 때문에 PAM은 핵의 크기와 세포의 밀도를 측정할 수 있다. 5월 17일 사이언스 지에 그의 팀이 발표한 바에 따르면, 암 조직을 얇게 자르거나 염색없이도 PAM은 암세포를 밝힐 수 있는 이미지를 만들어 낸다.

    왕 팀의 연구는 주로 유방암 종양에 초점을 맞추었어도 흑색종에서 췌장암 까지 절개 된 종양을 분석하는데 응용할 수 있는 가능성이 있다. 새로운 논문에 설명된 개념 증명 스캔에서 PAM은 3시간 만에 샘플을 분석해 냈다.

    기존 현미경이 같은 결과를 얻기 까지 7시간이 걸린 것 과 확실히 비교되는 결과 이다. 하지만 왕은 추가적으로 더 빠른 레이저 주파수 반복과 병렬 이미징으로 PAM의 분석 시간은 10분 혹은 그 안팍까지 더 줄어들 수 있을 것이라고 답했다.

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  • Research and Research Facilities&Equipment - 노벨 수상자의 연구 및 연구장비

    총 33명의 노벨상 수상자들이 학생이나 교수로 캘리포니아 공과대학교(Caltech: California Institute of Technology)를 거쳐 갔으며 18명의 노벨상, 6명의 튜링상, 1명의 필즈상 수상자들이 이 학교를 졸업했다.

    로버트 밀리컨(Robert A. Millikan)은 기본전하량 및 광전효과에 관한 연구로 노벨물리학상을 받았고, 토마스 모건(Thomas Hunt Morgan)은 유전자가 쌍을 이루어 염색체에 선상배열을 하고 있다는, 기본 유전 매커니즘인 염색체지도를 초파리의 실험으로 입증했다. 칼 데이비드 앤더슨(Carl David Anderson )은 양전자를 발견하였다. 이로 인해 양전자를 방출하는 방사성 의약품을 이용해 인체의 화학적 상태를 3차원 영상으로 나타낼 수 있는 기기인 양전자단층촬영장치(Positron Emission Tomograph, PET)라는 의료영상기기로 암세포를 쉽게 찾아낼 수 있게 되었다. 아흐메드 즈웨일(Ahmed Hassan Zewail) 교수는 분자의 생애에서 결정적인 순간, 즉 화학결합이 끊어지고 형성되는 순간을 정확히 보여 주는 실험을 수행한 최초의 화학자로서 노벨 화학상을 수상했다.

    로버트 밀리컨 이미지

    로버트 밀리컨(Robert A. Millikan)은 기본전하량 및 광전효과에 관한 연구로 1923년, 노벨물리학상을 받았다.

    1907년에 들어서 밀리컨은 그의 제자들과 함께 본격적으로 전하량 측정에 몰입하였다. 톰슨 그룹과 같은 안개상자 방법으로 전하량을 측정하던 밀리컨은 실험 중에 우연히 기존 실험보다 훨씬 더 센 전기장을 걸어보았는데 강한 전기장에 의해서 많은 물방울들이 위아래로 휙 날아가 버리고, 전기력과 중력이 상쇄되는 적은 수의 물방울들만 공중에 떠 있는 것을 발견했다.

    하지만 물방울 운동을 측정하는 데는 심각한 문제가 하나 있었는데, 그 문제는 관측을 하려다 보면 물방울이 금세 증발해 사라지는 것이었다.

    밀리컨의 학생인 하비 플레처(Harvey Fletcher)가 우연히 동네 상점에 가서 분무기가 달려 있는 향수를 사다 뿌렸는데 물방울과 달리 향수 기름방울은 증발하지 않고 공중에 이리 저리 떠다니는 것을 발견하고 밀리컨은 곧바로 물방울 실험을 그만두고 기름방울 실험에 집중하기 시작했다.

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    밀리컨은 전기장 속에 놓인 두 극판 사이에 미세한 기름방울을 뿌린 후, 그 움직임을 관찰하였다. 기름방울은 분무기를 통과하면서 전하를 띠게 되는데, 수평의 두 극판이 만드는 수직 전기장(E)에서 힘을 받게 된다.

    음전하를 띤 기름방울은 분사되어 아래 방향으로 중력을 받고, 위 방향으로 전기력을 받는다. 밀리컨은 극판의 전압을 조절함으로써 극판 사이의 전기장(E) 크기를 조절했고, 전기력이 중력과 평형을 이뤄 기름방울들이 움직임 없이 떠다니게 하였다.

    이를 식으로 표현하면 'qE=Mg'이다. 여기서 q가 구하고자 하는 기름방울의 전하량이고 전기장(E)의 크기와 중력가속도(g)는 이미 주어진 알고 있는 값이었다. 따라서 밀리컨은 기름방울의 질량(M)을 구하기 위하여 전기장을 끄고 낙하하는 기름방울의 종속도(v)를 관찰할 수 있었다.

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    모건은 초파리 연구를 통해 염색체가 유전정보를 전달한다는 사실을 실험적으로 입증함으로써 유전학을 튼튼한 반석 위에 올려놓았다. 그는 생물의 유전형질을 나타내는 유전자가 쌍을 이루어 염색체에 선상배열을 하고 있다는, 기본적인 유전 매커니즘인 염색체지도를 초파리의 실험으로 입증했다. 그의 공로로 이전까지 방향을 잡지 못했던 유전자 연구가 튼튼한 기반 위에서 발전할 수 있었다.

    사람들은 모건의 실험실을 ‘파리 방(fly room)’이라고 불렀다. 길이 7m, 폭 5m의 작은 방에는 8개의 책상이 다닥다닥 붙어 있었다. 초파리들은 대학 구내식당에서 빌린 우유병에서 키워졌다. 초파리의 먹이는 바나나를 으깬 것이었는데 이것은 바퀴벌레에게도 좋은 먹이여서 실험실에는 항상 바퀴벌레가 득실거렸다.

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    모건의 연구팀은 1912년까지 등이 굽은 형, 노란 몸, 작은 날개를 비롯한 40종류의 돌연변이를 발견했고, 새롭게 발견한 돌연변이를 체계적으로 교배했으며, 교배된 자손들을 그들의 부모와 형제 혹은 다른 돌연변이들과 다시 교배했다.

    이러한 실험을 통해 확보된 자료들은 한 형질이 다른 형질과 연계되어 유전된다는 가설을 뒷받침해 주었다. 이와 함께 연관된 유전형질들의 개수가 염색체의 길이와 관련되어 있다는 사실이 드러났다. 모건은 줄에 매달린 구슬처럼 유전자 역시 염색체에 직선형으로 놓여 있을 것으로 예상했다.

    모건의 연구팀은 여러 형질들이 한 염색체 안에 들어 있다는 사실도 깨달았다. 그러나 같은 염색체 안에 있는 경우에도 각 형질이 따로 유전되는 현상과 몇몇 형질들이 같이 유전되는 현상이 동시에 관찰되었다.

    모건은 감수분열을 할 때 염색체끼리 뭉쳐지는 현상을 발견했다. 이와 관련해 1909년에 벨기에의 세포학자 얀센(Frans AlfonsJanssens)은 감수분열 때 염색체끼리 교차하는 현상을 발견한 뒤 염색체가 물리적으로 각 부분을 교환한다고 주장한 바 있었다. 모건은 이러한 현상을 ‘재조합(recombination)’이라고 불렀다.

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    초파리가 주목을 받고 있는 것은 과학적으로 다양한 활용이 가능하기 때문이다. 특히 모건의 돌연변이 연구로 유명한 노랑초파리는 유전학을 비롯한 다양한 생물학 분야에서 없어서는 안될 중요한 실험 재료로 취급되고 있다.

    2016년 9월 25일 ‘가디언’ 지에 따르면 최근 들어서는 초파리의 활용 폭이 더욱 넓어지고 있다. 특히 의료계에서는 알츠하이머, 헌팅톤병, 하반신 마비, 각종 암, 소아비만 등 치료가 어려운 병을 대상으로 치료법 개발을 위한 다양한 실험이 이루어지고 있다.

    양전자의 존재를 직접 증명한 칼 데이비드 앤더슨 이미지

    로버트 밀리컨(R.A. Millikan)의 지도로 칼 앤더슨(Carl David Anderson)은 우주선(cosmic rays)을 연구하기 시작하였다. 우주선(cosmic rays)의 특성을 좀 더 자세히 연구하기 위해 밀리컨 교수는 윌슨 구름상자를 포함한 대형 실험 장치들을 설치하기로 하고, 이 연구의 계획과 수행을 앤더슨 박사에게 맡겼다.

    몇 년 후 실험 장치들의 설치가 완료되고, 밤낮없이 15초마다 우주선을 관찰했다. 그렇게 모은 풍부한 자료가 1931년에 출판되었다. 핵입자는 무거워서 가벼운 전자보다 직선에 가까운 궤적을 그린다. 놀랍게도 앤더슨 박사가 발견한 것은 방향만 반대일 뿐 음전하의 전자와 같은 정도로 휜 것이었다.

    영국의 이론물리학자 폴 디랙(Paul Adrien Maurice Dirac)은 전자기장을 결정하는 방정식들은 양의 전하를 가지고 전자만큼 가벼운 입자를 필요로 한다는 사실을 발견했다. 그러나 이런 입자가 발견되지 않았으므로 우주의 다른 곳에 전하가 뒤바뀐 세계가 있을 것이라고 가정하였고, 앤더슨은 자연 방사선 물질 ThC"(208Tl)에서 나오는 감마선을 다른 물질에 쏘아 전자-양전자 쌍을 만들어 내어서 양전자의 존재를 직접 증명하였다.

    전자의 짝인 양전자가 이렇게 발견되었고 폴 디렉(Paul Adrien Maurice Dirac)의 제안에 따라 ‘positron(양전자)’라고 부르게 된다.

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    앤더슨의 양전자를 방출하는 방사성 의약품을 이용해 인체의 화학적 상태를 3차원 영상으로 나타낼 수 있는 기기인 양전자단층촬영장치((Positron Emission Tomograph, PET)라는 의료영상기기가 주목 받고 있다.

    PET를 쓰면 여러 가지 진단을 할 수 있다. 예를 들어 18F-FDG은 포도당과 비슷한 방사성 의약품으로 체내에 주입하면 에너지를 많이 쓰는 암 조직 같은 곳에 쌓인다. 이곳에서 방출된 양전자는 주변의 전자와 만나 사라지면서 방사선을 내는데, 이를 측정하고 영상으로 재구성하면 암 조직을 찾을 수 있다.

    펨토 초 분광기를 이용한 화학반응의 전이상태 연구를 수행한 아흐메드 하산 즈웨일 교수 이미지

    과학은 항상 점점 더 작고 점점 더 빠른 움직임을 이해하려고 노력해왔다. 아레니우스 시대 이래로 보다 빠른 반응속도를 측정하기 위한 많은 방법이 개발되었고, 이들 중 많은 수가 노벨상을 받았다. 그러나 최근까지 어느 누구도 반응분자가 (전이상태라 불리는) 메타포를 통과할 때 반응분자에 실제로 무슨 일이 일어나는지 관찰할 수는 없었다. (메타포는 결합이 끊어지고 형성되는 일종의 반응 중간상태다.)

    분자는 분자 내에 있는 원자들이 움직이는 정도의 빠른 속도로 전이 상태를 통과한다. 분자는 매초 1,000미터의 속도로 움직인다. 그리고 분자 안에서 원자들이 조금 움직이는 데 걸리는 시간은 보통 수십 펨토 초(1펨토 초 = 10-15초)다. (펨토초는 1000조분의 1(10-15)초를 말한다. 10-15를 의미하는 단위명이 펨토(Femto)이기 때문에 붙여진 이름이다.)

    즈웨일 교수가 발표한 연구 결과는 펨토화학이라는 과학 분야를 탄생시켰다. 반응 도중의 분자를 촬영하고 전이 상태의 극히 짧은 순간을 포착하기 위해서 세상에서 가장 빠른 카메라를 개발했다. 그의 '카메라'는 10여 펨토 초 동안 지속되는 빛을 사용하는 레이저 기술을 활용하여 만든 카메라인데, 이 펨토초 레이저는 10~50 펨토초 동안만 켜졌다 꺼지는 펄스로 이루어져 있다. 깜빡깜빡하는 펄스를 분자나 원자에 쏘면 이 펄스는 펨토초 시간 동안만 분자를 만났다가 반사된다. 이 반사된 빛에 분자의 모습이 담겨있다. 바꿔 말해 펨토초 만에 찍어내는 카메라인 셈이다. 이 실험의 성공 열쇠는 최초의 펨토 초 광선이 시료 내에 있는 모든 분자들을 일시에 정지시켜서 그 원자들이 규칙적으로 진동하게 하는 것이다.

    첫 번째 실험은 단순한 반응에서 어떻게 결합길이가 늘어나고 결합이 끊어지는지를 느린 영상으로 보여 주었고, 예상했던 것과 원자들의 움직임은 다르다는 것을 알게 되었다.

    아메드 즈웨일 교수는 분자의 생애에서 결정적인 순간, 즉 화학결합이 끊어지고 형성되는 순간을 정확히 보여 주는 실험을 수행한 최초의 화학자로서 노벨 화학상을 수상했다.

    화학반응의 진행 과정을 자세히 이해하고 예측하는 것은 대단히 중요하다. 펨토화학은 화학의 전 분야뿐만 아니라 재료과학(미래의 전자공학)과 생물학 같은 인접 분야에도 응용될 수 있다. 레티날 분자가 그 예인데, 빛이 이 분자를 비틀어지게 하면 신경신호가 뇌로 보내진다는 것이 발견되었다. 이 반응은 단 200펨토초 밖에 걸리지 않는데 이는 빛에 대해 눈이 얼마나 민감하게 반응하는지를 설명해 준다.

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    ※ 참고자료

    About -

    https://namu.wiki/w/캘리포니아공과대학교
    http://www.caltech.edu/content/caltech-glance
    http://web.mit.edu/facts/faqs.html
    [QS] world-university-rankings 2016
    [타임즈] World University Rankings 2016-2017

    Student-faculty program -

    https://en.wikipedia.org/wiki/California_Institute_of_Technology

    Research Fields -

    https://en.wikipedia.org/wiki/Owens_Valley_Radio_Observatory
    https://www.ovro.caltech.edu/
    https://ko.wikipedia.org/wiki/레이저_간섭계_중력파_관측소
    https://www.ligo.caltech.edu/
    http://www.astro.caltech.edu/palomar/about/telescopes/60-inch.html
    http://www.astro.caltech.edu/palomar/about/

    Latest News -

    http://www.irobotnews.com/news/articleView.html?idxno=9761
    https://www.eurekalert.org/pub_releases/2017-05/ciot-cdo051717.php

    Research and Research Facilities&Equipment -

    네이버지식백과진실 혹은 거짓, 밀리컨의 기름방울 실험 - 전하의 최소단위를 재다 (물리산책) 네이버지식백과밀리컨의 기름방울실험 [Millikan's oil-drop experiment, ─實驗] (두산백과) 네이버지식백과토모스 모건 [Thomas Hunt Morgan] - 초파리로 유전의 비밀을 밝히다 (과학인물백과) http://www.sciencetimes.co.kr/?news=초파리-실험으로-불치병-고친다&s=초파리 네이버지식백과의료 영상 기기 - 몸속 찍는 사진기 (물리산책) 네이버지식백과우주선의 발견, 양전자의 발견 (당신에게 노벨상을 수여합니다. | 노벨 물리학상, 2010. 1. 18., 바다출판사) 네이버지식백과칼 앤더슨 [Carl David Anderson] (두산백과) http://blog.naver.com/atpaju/220969309540

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