NSF, 미 소재연구센터 6곳에 1억800만 달러…UC샌디에고 양자·생체소재 이끈다

무슨 일이 있었나

NSF는 이번 1억 800만 달러 투자를 통해 UC샌디에고, 프린스턴대, 하버드대, 컬럼비아대, MIT, 네브래스카-링컨대 등 6개 MRSEC를 신규·갱신 지원한다. UC샌디에고에 배분된 1,800만 달러(NSF #2614051)는 2020년 최초 MRSEC 지원의 경쟁 갱신 결과로, 물리과학부·제이콥스 공과대학·생물과학부에 걸친 19명의 교수진이 한 연구 공동체로 결합한다. 핵심 리더십은 Tod Pascal, Andrea Tao, Jon Pokorski, Nicole Steinmetz, Shirley Meng, Stacey Brydges 교수 등이 맡는다.

출처별 강조점·차이

두 매체는 같은 과제를 보도하면서도 연구 내용의 초점이 뚜렷하게 엇갈렸다.

양자기술 하드웨어 소재 측면: 양자 전문 매체는 센터가 기존 생체소재·고분자화학 중심에서 양자기술 하드웨어 소재로 연구 방향을 전환했다고 강조했다. 두 핵심 축은 ① 화학적 자기조립 방식으로 나노미터 수준 광학 구조물을 구현해 초고속 적외선 펄스를 가시광으로 변환하는 전광(all-optical) 양자신호 처리(Zhaowei Liu·Richard Averitt 교수), ② 유기금속 빌딩블록 기반 2차원 초격자 소재의 전자 위상 제어(Joshua Figueroa·Monica Allen 교수)다. 전자에서 변환 효율은 기존 금속 구조물 대비 1,000배 이상 높다고 보고됐다.

광역 소재과학 및 생체소재 측면: 또 다른 매체는 동일 센터의 연구 의제를 '예측적 조립(Predictive Assembly)'과 '살아있는 소재(Living Materials)'로 나눠 소개했다. 예측적 조립은 원자 단위 구성 요소가 거시 스케일로 전이되는 과정을 계산 도구로 예측·설계하는 접근(Andrea Tao·Tod Pascal 교수)이며, 살아있는 소재는 합성생물학·유전공학으로 미생물·식물 세포를 소재 내부에 통합해 자가 수복 기능 등을 구현하는 시도(Jonathan Pokorski·Nicole Steinmetz 교수)다.

두 시각은 상충하기보다 같은 센터의 서로 다른 연구 그룹을 각자의 편집 시각으로 부각한 결과로 해석된다. 이 센터는 양자 하드웨어 소재와 생체 기능성 소재를 동시에 추진하는 광범위한 포트폴리오를 운영하고 있음이 분명하다.

기술적 맥락

두 연구 흐름에 공통으로 등장하는 핵심 인프라가 '메조소재 설계 시설(MesoMaterials Design Facility)'이다. Tod Pascal 교수가 이끄는 이 시설은 제1원리 양자 시뮬레이션 데이터로 훈련된 머신러닝 알고리즘을 샌디에고 슈퍼컴퓨터센터(SDSC)와 연계해 활용함으로써 실험 합성 주기를 단축한다. 방대한 화학적 탐색 공간을 계산으로 먼저 걸러낸 뒤 실험으로 확인하는 전략은 오늘날 소재 발굴 연구의 표준 접근법이다.

2차원 초격자 연구에서는 저온 마이크로파 이미징으로 위상학적 절연체·2차원 초전도체·층상 반도체의 전자 위상을 분석하며, 저전력 양자전자소자와 견고한 큐비트 상호연결 구조 개발을 목표로 한다. 위상학적 보호를 통한 결어긋남(decoherence) 억제는 장거리 내결함성 양자컴퓨팅으로 가는 유망한 경로 중 하나로 꼽힌다. 캠퍼스에는 이번 MRSEC를 통해 '공학적 살아있는 소재 파운드리'와 메조소재 설계 시설이 신규 추가되며, 재료통합설계연구소(IMDD) 소장인 Shirley Meng 교수가 시설 전반을 총괄한다.

의미와 전망

MRSEC 프로그램은 분산된 개인 연구를 넘어 학제간 거점을 조직적으로 구축한다는 점에서 양자소재 생태계 형성에 중요한 역할을 한다. 교육 측면에서는 고등학생부터 박사 후 연구원을 아우르는 여름학교, 편입생 집중 훈련 과정, 산업계·해외 연구자 교류 프로그램이 운영되며, 샌디에고 플리트 과학센터와의 파트너십을 통한 지역 사회 연계도 추진된다. 다만 1,000배 변환 효율 등의 수치는 실험실 수준 성과이며, 큐비트 시스템 통합이나 살아있는 소재의 생체 안전성·규제 문제까지 실용화까지는 상당한 기술적·제도적 간극이 남아 있다. UC어바인·UCLA·UC샌타바버라와의 지역 협력 시너지도 향후 관찰이 필요하다.