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.

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.

In aluminum electrolysis, sodium penetration into carbon cathodes is considered as the main cause of cell failure and efficiency loss, but the detailed mechanism is still not definitely clear. Since the macroscopic properties of material depend on the microscopic structures, a large-scale atomistic model of anthracite cathodes was constructed to represent several important structural characteristics. Combined with Monte Carlo and molecular dynamics simulations, the adsorption and diffusion behaviors of sodium were investigated, respectively. The results suggest that sodium adsorption mainly occurs in the larger micro-pores with the range of 10–19 Å, while it accords well with to type-I Langmuir adsorption model. The sodium is found to be preferentially adsorbed in arch-like structures with 5- or 7-membered rings or around heteroatom, especially oxygen. Moreover, the movements of sodium through carbon matrix mainly depend on the continuous diffusive motion while most sodium particles tend to be trapped in voids with small mobility. The calculated transport diffusion coefficient is equal to 6.132 × 10− 10 m2/ s, which is in outstanding agreement with experimental results. This fundamental research would contribute to the understanding of sodium penetration mechanism and the optimization of cathode industry in the future.

본 논문은 그래핀의 모드 I 균열 진전에 대한 분자동역학 해석과 수치보조장을 사용하는 영역 투영 방법의 역문제 해석방법을 결합하여 균열 선단 응집 법칙을 평가하는 효율적인 방법을 제시하고 있다. 그래핀의 균열 선단 응집 법칙을 결정하는 것은 균열 선단에서 멀리 떨어진 영역의 변위를 사용하여 균열 면에서 미지의 응집 트랙션과 열림 변위를 구하는 역문제를 해석해야 하는데 상호 J-적분과 M-적분의 경로 보존성과 효율적인 수치보조장을 사용하는 방법을 적용하였다. 분자동역학 해석에서 원자 변위를 유한요소 절점 변위로 이동최소자승법을 사용하여 근사하였으며 안정적인 역문제 해석을 통하여 원자 단위의 거동을 연속체 해석으로 연결시킬 수 있는 새로운 방법을 보여주었다.

The effects of geometrical parameters on mechanical properties of graphite-vinylester nanocomposites and their constituents(matrix, reinforcement and interface) are studied using molecular dynamics (MD) simulations. Young’s modulii of 1.3TPa and1.16TPa are obtained for graphene layer and for graphite layers respectively. Interfacial shear strength resulting from themolecular dynamic (MD) simulations for graphene-vinylester is found to be 256MPa compared to 126MPa for graphite-vinylester. MD simulations prove that exfoliation improves mechanical properties of graphite nanoplatelet vinylesternanocomposites. Also, the effects of bromination on the mechanical properties of vinylester and interfacial strength of thegraphene–brominated vinylester nanocomposites are investigated. MD simulation revealed that, although there is minimal effectof bromination on mechanical properties of pure vinylester, bromination tends to enhance interfacial shear strength betweengraphite–brominated vinylester/graphene-brominated vinylester in a considerable magnitude.

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.