디지털 트윈 기술의 도입은 소재/제품 개발 및 공정의 전주기 과정에서 보다 통합적이며 단절없는 디지털 가상화를 요구하고 있다. 이러한 요구는 미시적 반응, 표면 및 계면 현상을 아우르는 모델링 기법과 거시적 물리 모델 혹은 인공지능 모델의 광범위한 적용을 필요로 한다. 이는 다양한 환경조건에서 소재의 물성 데이터베이스와 미시적 현상 모사가 필요함을 의미하며, 분자동역학 시뮬레이션이 이를 달성하기 위하여 유용하게 활용될 수 있다. 본 논문에서는 평형 및 비평형 분자 동역학 시뮬레이션 방법을 활용한 물성 계산 방법을 개괄하고, 열 및 기계적 물성등 주요 물성 계산 사례들을 검토하여 제시하였다. 본 논문은 분자 동역학 시뮬레이션을 활용한 물성 계산 프레임 워크 개발과 보다 정확하며 신뢰도 높은 계산 수행에 통찰을 제공할 것으로 기대 된다.

버네사이트(birnessite)는 약 7Å의 d-spacing을 가지는 대표적인 층상형 산화망간광물로 높은 양이온 교환능력을 가지기 때문에 지하수나 퇴적물 공극 유체의 화학조성을 결정짓는 중요한 역할을 한다. 버네사이트의 양이온 교환 반응 기작을 규명하기 위해서는 층간 내 양이온의 배위 환경과 결정구조에 대한 원자 수준의 이해가 매우 중요하다. 이번 연구에서는 원자 수준의 계산광물학 방법인 고전 분자동역학(classical molecular dynamics; MD) 시뮬레이션을 이용하여 기존 실험에서 보고된 화학조성을 가지는 삼사정계 N a-와 K-버네사이트의 결정구조, 층간 양이온의 배위 환경 및 적층 구조를 계산하였다. 계산 결과는 기존 X-선 실험에서 보고된 격자 상수와 층간 배위 환경을 잘 재현하여 시뮬레이션 방법의 신뢰성을 보여주었으며, X-선 실험만으로는 구분하기 어려운 층간의 양이온과 물 분자 위치를 구별한 원자 수준의 정보를 제공하였다. 망간 팔면체 층의 적층 순서는 동일하지만 층간 내 N a+와 K+의 위치가 서로 상이하고, 층간 양이온의 배위 환 경과 결정구조 간의 상관관계를 보인다. 원자 수준의 분자동역학 시뮬레이션은 버네사이트의 양이온 교환 반응 기작 규명에 크게 기여할 것으로 기대한다.

란시아이트(ranciéite)는 수화된 Ca2+ 양이온이 망간 원자 빈자리를 아래위로 덮고 층간을 채우고 는 육방정계 층상형 산화망간광물(phyllomanganates)이다. 망간 원자 빈자리를 Mn2+ 양이온이 더 우세하게 채 우는 경우, 다카네라이트(takanelite)라는 광물로 구분하며, 란시아이트와 다카네라이트는 서로 고용체를 이룬 다. 이 광물들은 입자크기가 매우 작고 다른 광물과 함께 산출되기 때문에 실험만으로 정확한 결정구조를 규 명하기 어렵다. 이번 연구에서는 층간 Mn2+/Ca2+ 양이온 비율에 따른 란시아이트-다카네라이트의 결정구조와 층간 구조를 규명하기 위해 고전분자동역학 시뮬레이션(molecular dynamics simulations; MD)을 수행하였다. 연구방법의 적합성을 판단하기 위해 결정구조가 잘 알려진 칼코파나이트 군(chalcophanite group) 광물들에 대해 시뮬레이션 계산을 수행 후 실험 결과와 비교하였다. 이후 층간 양이온 비율에 따른 란시아이트 및 다카 네라이트 모델에 대한 MD 시뮬레이션을 수행하여 양이온 함량에 따른 양이온과 물 분자의 분포 및 (001) 면간거리를 제시한다.

점토광물은 지하수 바닥부터 산림에 이르는 지구의 얇은 표면에 해당하는 ‘크리티컬존(critical zone)’에 존재하는 금속원소의 지구화학적 순환에 중요한 역할을 한다. 입자 크기가 매우 작은 점토광 물에 대한 원자 수준(atomistic scale)의 연구는 지구화학적 순환 과정에 대한 정확한 기작(mechanism) 을 규명할 수 있을 뿐만 아니라 재료개발과 같은 산업분야에도 응용될 수 있다. 원자 간의 페어 퍼텐 셜(pair potential)을 파라미터화한 힘 장(force field)을 사용하는 분자동역학(molecular dynamics) 컴퓨 터 시뮬레이션은 원자 수준의 정보를 제공할 수 있기 때문에 실험과 함께 점토광물의 결정구조와 반 응도 연구에 사용된다. 점토광물 시뮬레이션을 위한 힘 장으로는 이팔면체(dioctahedral) 광물을 기반 으로 만들어진 ClayFF 힘 장이 보편적으로 사용된다. 삼팔면체(trioctahedral) 광물 시뮬레이션에도 ClayFF를 사용하는 연구가 보고되고 있으나, 같은 광물을 계산하더라도 각 연구마다 다른 파라미터 값을 사용하고 있기 때문에 파리미터 선택이 시뮬레이션의 정확도에 어떤 영향을 미치는지 체계적인 테스트가 필요하다. 이번 연구에서는 삼팔면체 광물인 수활석, 리자다이트, 활석을 대상으로 팔면체 마그네슘(Mg)의 원자간 페어 퍼텐셜을 나타내는 파라미터 ‘mgo’와 ‘mgh’를 각각 사용하여 분자동역 학 시뮬레이션 계산결과를 비교하였다. 격자상수, 원자 간의 거리 등 삼팔면체 점토광물의 결정구조는 주어진 두 가지 파라미터에 관계없이 거의 일정한 결과를 보여주었지만, 진동 파워 스펙트럼(vibrational power spectrum)으로 계산한 수산기의 진동수는 파라미터에 따라 상대적으로 뚜렷한 차이를 보였다.

점토광물은 대기부터 지하수에 이르는 크리티컬존(critical zone) 영역에서 금속과 탄소 순환을 결정짓는 역할을 한다. 계산광물학 연구방법 중에 하나인 분자동역학(molecular dynamics) 시뮬레이션 은 지구물질을 원자단위로 계산하기 때문에, 점토광물의 물리화학적 현상들에 대해 원자수준의 자세 한 정보를 제공할 수 있다. 이번 연구에서는 clayFF 힘 장(force field)을 사용한 분자동역학 시뮬레이 션을 이팔면체 점토광물인 깁사이트(gibbsite, Al(OH)3), 카올리나이트(kaolinite, Al2Si2O5(OH)4), 파이 로필라이트(pyrophyllite, Al2Si4O10(OH)2)에 적용하여 300 K, 1기압조건에서 각 광물이 가지는 격자상 수와 원자간 거리를 계산하고 실험결과와 비교하였다. 더불어 수산기의 방향성 및 수소결합의 양상 그리고 파워스펙트럼(power spectrum)을 추가적으로 계산하였다. 계산 결과, 격자상수는 기존의 실험 결과와 약 0.1~3.7% 미만의 오차율을 보였으며, 원자간 거리는 실험결과와 약 5% 미만의 차이를 가 졌다. 깁사이트나 카올리나이트의 팔면체층 표면에 존재하는 수산기가 가지는 신축진동파수(stretching vibrational wavenumber)는 실험값 보다 약 200-300 cm-1 높게 계산되었지만, 팔면체층 표면에 존재하 는 수산기들의 상대적 크기의 경향은 기존 실험 결과와 일치하였다. 팔면체층 표면의 수산기가 (001) 면과 이루는 각도도 기존 실험결과와 상당부분 일치한 반면에 내부 수산기의 경우는 다소 차이를 보 였다. ClayFF를 사용한 분자동역학 시뮬레이션 연구 방법은 이팔면체 점토광물 표면 내(층간) 금속이 온 흡착에 대한 수산기의 역할을 규명하는데 유용한 연구방법이 될 수 있음을 시사한다.

점토광물은 대기부터 지하수에 이르는 크리티컬존(critical zone) 영역에서 금속과 탄소 순환을 결정짓는 역할을 한다. 계산광물학 연구방법 중에 하나인 분자동역학(molecular dynamics) 시뮬레이션 은 지구물질을 원자단위로 계산하기 때문에, 점토광물의 물리화학적 현상들에 대해 원자수준의 자세 한 정보를 제공할 수 있다. 이번 연구에서는 clayFF 힘 장(force field)을 사용한 분자동역학 시뮬레이 션을 이팔면체 점토광물인 깁사이트(gibbsite, Al(OH)3), 카올리나이트(kaolinite, Al2Si2O5(OH)4), 파이 로필라이트(pyrophyllite, Al2Si4O10(OH)2)에 적용하여 300 K, 1기압조건에서 각 광물이 가지는 격자상 수와 원자간 거리를 계산하고 실험결과와 비교하였다. 더불어 수산기의 방향성 및 수소결합의 양상 그리고 파워스펙트럼(power spectrum)을 추가적으로 계산하였다. 계산 결과, 격자상수는 기존의 실험 결과와 약 0.1~3.7% 미만의 오차율을 보였으며, 원자간 거리는 실험결과와 약 5% 미만의 차이를 가 졌다. 깁사이트나 카올리나이트의 팔면체층 표면에 존재하는 수산기가 가지는 신축진동파수(stretching vibrational wavenumber)는 실험값 보다 약 200-300 cm-1 높게 계산되었지만, 팔면체층 표면에 존재하 는 수산기들의 상대적 크기의 경향은 기존 실험 결과와 일치하였다. 팔면체층 표면의 수산기가 (001) 면과 이루는 각도도 기존 실험결과와 상당부분 일치한 반면에 내부 수산기의 경우는 다소 차이를 보 였다. ClayFF를 사용한 분자동역학 시뮬레이션 연구 방법은 이팔면체 점토광물 표면 내(층간) 금속이 온 흡착에 대한 수산기의 역할을 규명하는데 유용한 연구방법이 될 수 있음을 시사한다.

핵폐기물을 고화시키는 재료로 사용하는 붕규산염(borosilicate) 유리의 용해는 지층 처분장에 처리된 고준위 방사성 폐기물의 생태계 유출을 결정할 수 있는 중요한 화학반응이다. 습식 실험에서 유리의 용해속도(dissolution rate)는 유리 화학조성에 의해 크게 좌우되는 것이 관찰된다. 유리의 bulk 구조를 규명한 분광분석 실험에 의하면 유리의 화학조성과 분자수준(molecular-level) 구조(예: SiO4 사면체의 연결구조와 B 원소의 배위구조) 사이의 상관관계가 존재한다. 따라서 화학조성에 따른 유리 용해도의 차이는 조성에 따른 bulk 내부구조의 변화로 이해되어 왔다. 그런데 유리 표면은 수용액과 계면을 이루면서 용해 과정에서 가장 직접적으로 반응하는 부분이기 때문에, 화학조성에 따른 표면구조 변화에 대한 지식 또한 필요하다. 본 논문에서는 분자 동역학(molecular dynamics, MD) 시뮬레이션을 사용하여 4가지의 다른 화학조성을 가지는 소듐붕규산염 유리(xNa2O·B2O3·ySiO2 화학조성)에 대하여 bulk 구조와 실험으로 얻기 어려운 표면(surface) 구조를 연구하였다. MD 시뮬레이션은 유리 표면의 화학조성과 분자수준 구조가 bulk의 것과 매우 상이한 결과를 보여준다. 본 연구의 MD 시뮬레이션 결과는 화학조성에 따른 유리 용해도(특히 초기 용해과정)는 bulk 구조의 변화보다 유리 표면구조의 변화에 의해 크게 좌우될 수 있다는 표면구조에 대한 이해의 중요성을 역설한다.