| 정수처리 개선 위한 클라우드 컴퓨팅
전세계 약 800백만 명의 사람들은 아직까지 안전하게 마실 수 있는 물을 이용하지 못하고 있으며, 약 25억 명의 사람들은 위생적으로 문제가 있는 환경 속에서 물을 마시는 것으로 나타났다. 그리고 안전하지 못한 식수와 위생적으로 적절하지 않은 물 공급은 설사병과 관련된 사망 원인 중 약 90%를 차지하고 있다. 이러한 물 위생 문제는 아직까지 과학자 및 엔지니어들에게 도전이 되고 있다.
Nature Nanotechnology에 발표된 이번 연구는 정수 기술 개선을 위한 새로운 나노기술 기반 전략을 제안하고 있다. 연구 프로젝트는 포논(Phonons)이라고 불리는 탄소 나노튜브(Carbon Nanotube)의 미세한 진동을 활용한다. 포논은 정수 과정 중 필터에서 물의 확산을 크게 개선시키는데 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다. 이번 프로젝트는 중국의 칭화대학(Tsinghua University)과 이스라엘 텔 아비브 대학(Tel Aviv University)의 협력을 통해 이루어지고 있다.
텔 아비브 대학의 Michael Urbakh 교수는 "우리는 매우 작은 진동을 통해 물질의 습식 또는 건식 상태와 상관없이 보다 원활하게 이동시킬 수 있다는 것을 발견하였다. 물을 운반하는 나노튜브의 진동을 의미하는 포논진동(Phonon Oscillations)은 물 이동성, 위생 및 담수화 문제를 개선할 수 있다. 일반적인 정수 시스템은 나노단위의 마찰로 인해 많은 에너지를 필요로 한다. 그렇지만 이러한 진동을 활용한다면 물의 이동 효율을 3배 이상 개선할 수 있음을 확인하였으며, 이를 통해 대량의 에너지를 절감할 수 있다"고 설명하였다. 연구진은 적절한 조건 하에서 어떻게 이러한 진동이 물의 확선속도를 300% 개선할 수 있는지를 보여주었다. 이들은 컴퓨터를 활용하여 나노튜브를 통한 물 분자의 흐름을 모사하였으며, 그 결과 담수화 공정과 에너지 보존에 대한 중요한 시사점을 확인할 수 있었다.
IBM의 월드커뮤니티그리드(World Community Grid)를 통해 시작된 이번 프로젝트는 클라우드소싱된 컴퓨터(Crowdsourced Computing)를 활용하고 있다. 약 150,000명 이상의 자원자들이 자신의 컴퓨터 계산능력을 이번 연구를 위해 지원한 것이다. Urbakh 교수는 "우리의 프로젝트는 IBM의 월드커뮤니티그리드를 활용할 수 있는 권한을 확보하였다. 월드커뮤니티그리드는 전세계 컴퓨터 사용자들에게 개방된 플랫폼으로 시뮬레이션 프로그램을 가동하여 보다 정확한 결과를 얻을 수 있었다. 이와 같은 종류의 프로젝트는 이스라엘에서는 최초로 시도되는 것이다. 실험실에 있는 4명의 학생들만으로는 이러한 일을 수행할 수 없다. 컴퓨터 한대로 모든 것을 처리하기 위해서는 약 40,000년의 기간이 필요하다. 이를 대신하여 전세계 약 150,000대의 계산 자원을 활용하고 있다"고 말했다. 그는 "클라우드소싱 방식의 컴퓨팅의 역할은 획기적인 과학적 발견에 있어 점차 증대되고 있다. 이번 연구에서 보여주었듯이 대중의 참여로부터 혜택을 받을 수 있는 문제들의 범위가 지속적으로 증가하고 있다"고 덧붙였다.
이번 연구 중 컴퓨터 시뮬레이션은 칭화대학을 졸업한 Ming Ma가 설계한 것으로, 그는 지금 텔 아비브 대학에서 박사 학위 취득 후 과정을 수행하고 있다. 유니버시티 칼리지 런던의 나노기술센터(London Centre for Nanotechnology of University College London), 스위스 제네바 대학(University of Geneva), 호주 시드니대학(University of Sydney), 모나쉬 대학(Monash University) 등은 이번 국제 프로젝트에 참여하고 있다. 연구진은 새로운 진동 기술과 관련한 지식을 다양한 상업 프로젝트에 적용하는 것에 관심이 있는 기업들과 현재 협의 중에 있다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 7월 13일]
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Crowd computing to improve water filtration
Nearly 800 million people worldwide don't have access to safe drinking water, and some 2.5 billion people live in precariously unsanitary conditions, according to the Centers for Disease Control and Prevention. Together, unsafe drinking water and the inadequate supply of water for hygiene purposes contribute to almost 90% of all deaths from diarrheal diseases -- and effective water sanitation interventions are still challenging scientists and engineers.
A new study published in Nature Nanotechnology proposes a novel nanotechnology-based strategy to improve water filtration. The research project involves the minute vibrations of carbon nanotubes called "phonons," which greatly enhance the diffusion of water through sanitation filters. The project was the joint effort of a Tsinghua University-Tel Aviv University research team and was led by Prof. Quanshui Zheng of the Tsinghua Center for Nano and Micro Mechanics and Prof. Michael Urbakh of the TAU School of Chemistry, both of the TAU-Tsinghua XIN Center, in collaboration with Prof. Francois Grey of the University of Geneva.
Shake, rattle, and roll
"We've discovered that very small vibrations help materials, whether wet or dry, slide more smoothly past each other," said Prof. Urbakh. "Through phonon oscillations -- vibrations of water-carrying nanotubes -- water transport can be enhanced, and sanitation and desalination improved. Water filtration systems require a lot of energy due to friction at the nano-level. With these oscillations, however, we witnessed three times the efficiency of water transport, and, of course, a great deal of energy saved."
The research team managed to demonstrate how, under the right conditions, such vibrations produce a 300% improvement in the rate of water diffusion by using computers to simulate the flow of water molecules flowing through nanotubes. The results have important implications for desalination processes and energy conservation, e.g. improving the energy efficiency for desalination using reverse osmosis membranes with pores at the nanoscale level, or energy conservation, e.g. membranes with boron nitride nanotubes.
Crowdsourcing the solution
The project, initiated by IBM's World Community Grid, was an experiment in crowdsourced computing -- carried out by over 150,000 volunteers who contributed their own computing power to the research.
"Our project won the privilege of using IBM's world community grid, an open platform of users from all around the world, to run our program and obtain precise results," said Prof. Urbakh. "This was the first project of this kind in Israel, and we could never have managed with just four students in the lab. We would have required the equivalent of nearly 40,000 years of processing power on a single computer. Instead we had the benefit of some 150,000 computing volunteers from all around the world, who downloaded and ran the project on their laptops and desktop computers.
"Crowdsourced computing is playing an increasingly major role in scientific breakthroughs," Prof. Urbakh continued. "As our research shows, the range of questions that can benefit from public participation is growing all the time."
The computer simulations were designed by Ming Ma, who graduated from Tsinghua University and is doing his postdoctoral research in Prof. Urbakh's group at TAU. Ming catalyzed the international collaboration. "The students from Tsinghua are remarkable. The project represents the very positive cooperation between the two universities, which is taking place at XIN and because of XIN," said Prof. Urbakh.
Other partners in this international project include researchers at the London Centre for Nanotechnology of University College London; the University of Geneva; the University of Sydney and Monash University in Australia; and the Xi'an Jiaotong University in China. The researchers are currently in discussions with companies interested in harnessing the oscillation know-how for various commercial projects.
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