Surface Energy 계산을 통한 각기 다른 표면에 대한 반응성 정도 여부의 판단.

Surface Energy 계산을 통한 각기 다른 표면에 대한 반응성 정도 여부의 판단.

1. Title

Surface Energy 계산을 통한 각기 다른 표면에 대한 반응성 정도 여부의 판단.

2. Purpose of Work

각 물질들은 합성을 어떤 방식을 하느냐에 따라 어떤 특정한 면만을 두드러지게 할 수도 있고, 특정한 면만을 반응에 포함시킬 수 있도록 일정하게 배열할 수도 있다. 그렇게 특정한 면을 돋보이게 자라날 수 있게 하거나, monolayer을 잘 만들어서 한 쪽 면으로만 배열되도록 만든 particle을 통해 실험적으로 어떤 면을 드러낸 particle이 더 반응성이 좋은지를 알아낼 수 있다. 실험적으로 알아낸 이러한 사실을 이론적으로도 맞다는 것을 증명할 필요가 있다. 실험적으로만 알아낸 것들이 얼마나 이론적으로도 적합한지를 알아볼 수 있는 것이 simulation method를 이용하는 것이다. 이러한 방법들을 통해서 실험과 이론을 결부시킬 수 있다. 따라서 이번 연구에서는 simulation program을 통해서 특정 면을 설정한 후, 그 면에서의 surface energy를 계산할 것이다. Surface energy 계산은 간접적으로 그 면에서의 반응성이 얼마나 좋은지를 알아낼 수 있는 주요한 tool이다. 

이번 연구를 통해 우리는 Surface Energy 계산을 통해 각 표면의 반응성이 얼마나 좋은지 어떤 표면에서 더 반응이 잘 일어나는지에 대한 것을 판단해본다. 표면 에너지가 크다는 것은 그 표면에서의 상태가 상대적으로 불안정하다는 것을 의미하기 때문에, 표면 에너지가 큰 특정 표면에서는 반응이 다른 표면보다 더 잘 일어난다. 이러한 화두를 simulation program으로 간접적으로 실험결과를 예측하고, 또 점검해본다.

3. Contents

1) Surface energy의 개념과 물질의 표면 결정방법

  실험적 측면에서의 반응성정도를 알아보는 것이 아니라 이론적으로 반응성이 얼마나 더 좋은가에 대해 알아보는 프로젝트이기 때문에 기본적인 개념확립과 그 연관성을 알아보는 것이 중요하다. 따라서 surface energy의 개념을 정확하게 알고 있어야 한다. Surface energy는 물질에서 어느 면(plane)있느냐 즉, 어떤 표면에서 반응이 일어나느냐에 따라서 달라지기 때문에 물질의 특정 면에 대한 개념에 대한 학습도 필요하다. 그 표면의 결정방법과 surface energy의 개념을 학습하여 그 연관성을 충분히 익혀두도록 한다. Surface energy를 구하는 식과 개념 등에 대해서는 관련 논문이나 physical shemistry 책을 참조하도록 한다.

2) Simulation Program 소개 및 사용방법

  Simulation program을 사용함에 있어 어떤 프로그램을 사용할 것인지에 대해서 충분히 알아본다. Surface energy 계산에 있어 필요한 것이 무엇인지를 파악하고 우선적으로 여러 개의 프로그램의 시범판을 사용하여 연구를 진행해 본다. 가장 먼저 사용해 볼 수 있는 것은 KISTI에서 개발한 ChemWorks프로그램으로 유기물질의 에너지 계산이 가능하다. 이를 통해 기본적인 simulation이 돌아가는 형식과 data를 얻었을 때의 분석 방법과 그 data들이 의미하는 바, 그리고 그 data를 통해 어떤 변수를 수정해야 하는 지를 알아본다. Simulation program들의 data 표현방식이나 구현방식 등이 기본적으로 동일하기 때문에 가장 이용하기 쉽고 무료로 사용할 수 있는 KISTI의 프로그램으로 먼저 시도해본다. 이 후, 무기물질 등을 분석할 수 있는 program을 선정하여 program을 실행시켜본다. Simulation program 마다 tutorial이 있으므로 그 tutorial을 따라 연습을 거쳐 가장 간단한 것부터 시행해 본 뒤, 원하는 물질의 각 표면에 대해서 simulation해본다.

3) Simulation Program에서 표면을 결정하는 방식과 최적 parameter 결정

  앞서 공부한 물질의 표면을 컴퓨터에서 구현하는 것이 필요하다. Bulk를 구현하고 특정한 방향으로 절단하게 되면 표면이 드러나게 된다. 그 과정을 결정하고, 얼마나 넓은 면적에 대해서 simulation할 것인지 그리고 얼마나 많은 분자를 unit cell에 포함시킬 것인지, 표면을 포함하는 layer의 두께는 얼마나 할 것인지 등에 대한 수많은 결정사항들을 결정해야 한다. 기본적으로 simulation은 가장 간단한 것부터 수행하여 점차 복잡한 것을 넣어보기 때문에 1x1에서 시작하고. 표면적을 포함하는 방향으로의 진공체적을 최대한 넓혀준다. (높이 2nm면 충분하다.) 진공범위를 설정하는 것은 그 방향으로의 결정반복을 인위적으로 없애주어 표면을 구현하기 위한 것으로 반드시 거쳐야 한다. 다양한 표면을 결정하고 다양한 parameter를 결정하기 위하여 거쳐야 하는 과정이다.

4) Surface Energy 계산을 위해 필요한 선제과정

표면적을 결정한다고 해서 바로 surface energy를 계산할 수 있는 것은 아니다. 표면을 결정한 후, 그 표면을 최대한 안정화 시켜주어야 한다. 그것은 일반적인 화학적 상식에 근거한다. 모든 물질들은 그 상태에서 가장 안정한 상태에 있으려고 한다. 그렇기 때문에 실험적으로 생성된 물질들은 주변 상황에 맞춰 가장 안정한 상태에서 가장 dominant하게 존재하게 된다. 그렇기 때문에 bulk를 구현한 후, bulk를 안정화 시키고, 그 이후 우리가 원하는 표면을 잘라내어 구현한 뒤, 그 표면을 안정화시키는 작업이 필요하다. 안정화시키는 작업은 각 step을 반복하면서 전체 에너지를 계산하여 그 에너지가 점점 감소하다가 일정 오차 범위 내에서 지속적으로 존재할 때까지 계산을 반복하게 된다. 보통 max step은 무한번까지 설정할 수 있지만 거의 50번의 step을 거치면 가장 낮은 에너지상태를 갖는 가장 안정한 상태를 얻을 수 있다. 이 과정을 거친 후, surface energy 계산을 수행하게 된다.

Surface energy 계산은 어떤 함수를 이용하고, 어떤 방식으로 simulation을 하느냐에 따라 다르게 계산될 수 있다. 안정화의 과정은 거의 모든 tool로 계산이 가능하다. 어느 계산을 하더라도 가장 먼저 해야 할 작업이기 때문이다. 하지만, 표면에너지 계산은 simulation program의 다양한 함수들 중에서 몇몇만 가능한데, 그 중에서도 어떤 것이 실험환경에 가장 적절한지를 파악하기 위해서 사전 조사가 필요하며, 두 세개를 선정하여 모두 시행시켜 본 뒤 이전 논문과 비교하는 작업이 필요하다. 이러한 과정을 거쳐 가장 적절한 표면과 가장 적절한 함수와 가장 적절한 구현방식 그리고 가장 적절한 계산방식을 결정한다. 

5) Surface Energy의 계산 및 실험과의 검토

Surface energy를 계산하는 데 있어 간단한 것은 수분이 걸리지만, 복잡한 구조를 가지거나 조금 어려운 것은 수시간 혹은 수일이 걸릴 수 있다. 또한, 한 번의 surface energy 계산을 위해 수반되는 앞선 계산들이 많기 때문에 충분한 심사숙고를 통해 시간적 낭비를 줄일 수 있도록 노력해야 한다. 또한 에너지 계산을 진행하는 동안 컴퓨터가 꺼지지 않도록 유의하여야 한다.

계산결과가 나오면 data값을 저장해두고, 나중에 비교할 수 있도록 시간과 물질의 이름, 계산방법과 표면의 상태 등을 표시해 두는 것이 필수이다. Data 값은 optimization된 값을 읽어야 하며, 그 값을 참고로 했던 논문과 비교한다. 비교를 통해 우리가 얻은 값이 더 나은 값인지, 혹은 잘못된 계산을 통해 얻은 값인지를 분석, 판단하여야 한다.

4. Expectations

우리는 이러한 simulation을 통한 계산으로 실험에 의한 값들을 비교하거나 미리 예측하는데 도움을 받을 수 있다. 이는 불필요한 실험을 하지 않도록 도와줄 수 있으며 시행착오를 줄이는데 도움을 준다. 또한, 미리 실험해 놓은 값과 비교해 봄으로서 얼마나 이론적으로 타당한 결과인지를 알 수 있게 해준다. 유사한 표면을 구현하거나 유사한 물질 등을 비교하고 계산함으로써 실험적으로 어떠한 것을 비교대상으로 설정해야 할지를 알려준다. 

Simulation program은 surface energy 계산뿐만 아니라 전체 에너지나 vibtrational mode에 따른 energy등도 계산할 수 있으며, 어떤 화학 반응이 일어날 때 transition state에서의 물질 구조를 파악하는 데도 쓰일 수 있다. 또한, 어떤 물질 위에 접착시키는 데 필요한 에너지라던지, 어떤 물질이 더 잘 접착되는지 등에 대한 정보도 얻을 수 있으며, 어떤 상태와 어떤 조건에서 가장 안정한 형태, 가장 효율적인 형태를 얻을 수 있는지도 알려즐 수 있다.

이러한 simulation을 통해 이론과 실험의 격차를 좁힐 수 있으며, 이론적으로 증명된 것을 실험을 하지 않더라도 눈에 보이는 결과를 제시할 수 있으며, 실험적으로 증명된 것이 이론적으로 타당하다는 것을 증명하는데 쓰일 수도 있다.

우리는 이러한 simulation의 이점을 이용하여 현재까지 나와있는 실험결과를 검토하고 증명하는 데 주안점을 둔다.