음이온 교환막(AEM) 수전해용 AEM 소재 개발은 재생 에너지를 활용한 수소 생산 기술을 개선하는 데 중요한 역할을 한다. 이러한 소재를 설계하고 최적화하는 데 분자동역학 전산모사가 유용하게 사용되지만, 전산모사 결과의 정확도 는 사용된 force-field에 크게 의존한다. 본 연구의 목적은 AEM 소재의 구조와 이온 전도 특성을 예측할 때 force-field 선택 이 미치는 영향을 체계적으로 조사하는 것이다. 이를 위해 poly(spirobisindane-co-aryl terphenyl piperidinium) (PSTP) 구조를 모델 시스템으로 선택하고 COMPASS III, pcff, Universal, Dreiding 등 네 가지 주요 force-field를 비교 분석하였다. 각 force-field의 특성과 한계를 평가하기 위해 298~353 K의 온도 범위에서 수화 채널 형태, 물 분자와 수산화 이온의 분포, 수산 화 이온 전도성을 계산하였다. 이를 통해 AEM 소재의 분자동역학 전산모사에 가장 적합한 force-field를 제시하고, 고성능 AEM 소재 개발을 위한 계산 지침을 제공하고자 한다.

PURPOSES : As evaluation methods for road paving materials become increasingly complex, there is a need for a method that combines computational science and informatics for new material development. This study aimed to develop a rational methodology for applying molecular dynamics and AI-based material development techniques to the development of additives for asphalt mixtures. METHODS : This study reviewed relevant literature to analyze various molecular models, evaluation methods, and metrics for asphalt binders. It examined the molecular structures and conditions required for calculations using molecular dynamics and evaluated methods for assessing the interactions between additives and asphalt binders, as well as properties such as the density, viscosity, and glass transition temperature. Key evaluation indicators included the concept and application of interaction energy, work of adhesion, cohesive energy density, solubility parameters, radial distribution function, energy barriers, elastic modulus, viscosity, and stress-strain curves. RESULTS : The study identified key factors and conditions for effectively evaluating the physical properties of asphalt binders and additives. It proposed selective application methods and ranges for the layer structure, temperature conditions, and evaluation metrics, considering the actual conditions in which asphalt binders were used. Additional elements and conditions considered in the literature may be further explored, considering the computational demands. CONCLUSIONS : This study devised a methodology for evaluating the physical properties of asphalt binders considering temperature and aging. It reviewed and selected useful indicators for assessing the interaction between asphalt binders, additives, and modified asphalt binders and aggregates under various environmental conditions. By applying the proposed methods and linking the results with informatics, the interaction between asphalt binders and additives could be efficiently evaluated, serving as a reliable method for new material development.

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.

컴퓨터 시스템의 성능 및 다양한 전산모사 프로그램의 발전으로 더 복잡한 원소로 이루어진 화학시스템의 해석이 가능해지고, 그에 따라 분자동역학 전사모사를 활용한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히, 기존에는 실험위주로 진행되던 고분자 막에 대한 기체 투과 특성을 계산하는 연구가 관심을 받고 있고, 식품포장, 의약품등에 사용되고 있는 기체차단성 막 에 대한 분자동역학 연구가 많이 이루어지고 있다. 최근 실크 피브로인을 이용해 코팅막을 만들었을 때 기체 차단 효과가 나 타난다는 보고가 있었고, 본 연구에서는 이러한 실크 피브로인을 활용해 복합막을 만들었을 때 산소 차단 효과가 나타나는지 확인하고자 분자동역학 전산모사를 이용해 연구를 진행하였다. 단일 모델을 제작하고 기체 투과 특성을 계산하고 실험값과 비교를 통해 모델이 실제 실험 결과를 반영하는 것을 확인하였고, 실제 복합막 모델을 만들어 고분자 내에서 기체 이동경로 분석을 진행한 결과 산소 분자가 피브로인 영역을 통과하지 못하고 막히는 것을 보여주었다. 따라서, 실크 피브로인이 도입된 복합막이 산소 차단 성능이 우수하여, 식품포장 등에 유용할 것으로 기대된다.

PURPOSES : In this study, we aimed to evaluate the transition temperature (Tt) of asphalt binders using molecular dynamics simulations, which can provide a more accurate assessment of the mechanical properties of a material at the molecular level and can be applied to material development and design. METHODS : Unlike conventional macro- or meso-level simulations, we utilized MD simulations to evaluate the Tg of asphalt binders based on material composition and aging degree as input variables. In this analysis, 11 temperatures ranging from 434 K to 233 K at 20 K intervals were utilized, and the bulk volume and density were calculated through MD simulations. RESULTS : The MD simulation successfully predicted the Tg of the asphalt binder, and the molecular-level properties and interactions determined in this study can be applied not only to material development but also to the determination of constitutive equations or contact models used in continuum mechanics or discrete element methods. The calculated Tg was slightly different depending on the aging of the asphalt binder; however, it was found to accurately reflect the transitional characteristics. CONCLUSIONS : This study demonstrated the potential of MD simulations as valuable tools for material development and design in the construction industry. The results indicate that the use of MD simulations can lead to more accurate and efficient material development and design by providing a more detailed understanding of material properties and interactions at the molecular level.

금속의 취성화는 수소와 접촉하는 구조물을 안정적으로 설계하는데 있어서 큰 문제가 되어왔다. 본 논문에서는 분자동역학 해석을 통해 균열선단 주변에 모인 수소원자들이 전위 이동 현상을 억제하고, 이로 인해 벽개 파괴 현상이 발생하는 것을 확인하였다. 다양한 수소 농도, 하중 속도, 수소 확산 속도 등을 바꾸어가며 분자동역학 해석을 수행하였고, 이에 따른 수소 취성화를 최소화시킬 수 있는 조건들을 조사하였다. 분자동역학 해석 결과는 기존의 실험결과와 잘 일치하였으며 이를 바탕으로 수소 취성화 현상을 정량화하여 평가하였다.

지속적인 화석연료의 과도한 소비는 지구온난화와 기후환경 위기를 초래하고 있다. 이에 따라 화석연료의 대체 에너지 중 수소에너지가 주목받고 있는데, 수소에너지는 공해물질의 배출이 없고 자원적인 제약이 없다는 장점이 있다. 이에 따라 물의 전기분해를 이용하여 수소를 생산하는 수전해 시스템 및 수소에너지를 연료로 사용하여 전기를 생산하는 연료전 지 시스템과 관련된 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 수전해 시스템과 연료전지의 핵심 소재 중 하나인 음이온 전도성 이오노머 소재를 대상으로 과량의 수화 상태를 반영하여 3D 이오노머 모델을 제작하였다. 최종적으로 과량의 수화상 태에서 이오노머의 구조적인 안정성과 성능 분석을 통해, 수전해 시스템과 연료전지의 핵심 소재인 음이온 전도성 이오노머 설계에 있어서 성능향상 인자를 제시하고자 하였다.

99Tc is a long-lived radioactive fission product whose mobility in the subsurface is largely governed by its oxidation state. Migration of Tc from a waste repository may be prevented by immobilizing Tc(IV) in durable glass forms. Thus, efficient incorporation and high retention of Tc by glasses is very important for radioactive waste management and environmental remediation. Tc(IV) oxidation to higly volatile Tc(VII) (TcO4 −) at glass vitrification temperatures results in poor Tc retention in the final waste glass. Retention of Tc in the glass is generally improved by reducing conditions since Tc(IV) is not volatile. However, experiments with Tc-magnetite under high temperature and oxic conditions showed re-oxidation of Tc(IV) to volatile pertechnetate. To understand this phenomenon, we employed ab initio molecular dynamics simulations to study structural and electronic properties of Tc-incorporation in magnetite. The study provides the ramification of high temperature on Tc mobilization and changes of Tc retention in magnetite. Theory predictions also indicated enhanced Tc retention in the presence of 1st row transition metal dopants in Tc-incorporated magnetite that was confirmed by experiments. Furthermore, the overwhelming concentration of Cr(VI) co-mingled with Tc(VII) within the secondary waste form where Cr(VI) is more readily reduced than Tc(VII) by reduction potential metrics. Experiments with Tc-magnetite under high temperature and oxic conditions showed re-oxidation of Tc(IV) to volatile pertechnetate. Experiments also showed that magnetite transforms to maghematite resulting in disproportionation and re-oxidation of Tc. This transformation can be suppressed through incorporation of trace elements such as Co, Ni, Zn into magnetite forming spinel. In this talk, I will present results from ab initio molecular dynamics simulations and experiments on the structural and electronic properties of Tc and/or Cr incorporation in magnetite. I will also discuss the temperature effect on Tc/Cr mobilization and changes of Tc/Cr retention in magnetite. In addition, I will discuss the effect of Tc/Cr concentration and 1st row transition metal dopants on their incorporation in magnetite.

최근 들어 컴퓨터 및 소프트웨어 기술의 발달로 전산모사 관련 연구가 급격하게 늘어나고 있는데, 특히 원자의 개수 및 모델 크기의 문제로 기존에는 많은 제약을 받던 고분자 관련 다양한 전산모사 결과들이 발표되고 있다. 본 연구에서 는 고분자 소재를 필름형태의 분리막으로 활용하기 위한 중요한 특성 중 하나인 기계적 특성을 분자동역학 전산모사를 이용 하여 분석하고자 하는 연구를 진행하였다. 이를 위하여 이미 관련 물성이 널리 보고되어 있는 상용 고분자 소재인 polyethylene (PE)과 polystyrene (PS)을 대상으로 선정하여 주쇄길이 차이를 통한 각 고분자들의 인장특성을 비교하였고, 최종적 으로 분자동역학 전산모사의 기계적 특성 분석이 적합한지 확인하고자 하였다. 밀도, radius of gyration, scattering 분석을 통 해 본 연구에서 제작된 모델이 실제 실험에서 얻어진 기계적 특성 경향과 잘 일치함을 알 수 있었고, 따라서 분자동역학 전 산모사를 이용한 기계적 특성 분석이 다양한 고분자 소재들의 분자 구조에 따른 기계적 특성을 예측할 수 있게 해주며, 실제 실험에서는 적용하기 어려운 다양한 변수들을 반영한 기계적 특성 해석도 가능하게 해 줄 것으로 기대된다.