[논문]분자동역학을 이용한 [C10mim][Br] 의 응집에 관한 연구

윤홍민; 이준상

doi:10.3795/ksme-b.2012.36.8.873

분자동역학을 이용한 [C10mim][Br] 의 응집에 관한 연구
Molecular Dynamics Study of [C10mim][Br] Aggregation 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.36 no.8 = no.323, 2012년, pp.873 - 876

초록
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Ionic Liquids (ILs) 는 표준상태에서 액체이온으로 존재하는 물질로 여러 가지 방법으로 다양한 특성을 띄게 할 수 있다. 이런 성질을 적절하게 이용하여 계면활성제 등 다양한 분야로의 응용이 가능하다. ILs의 한 종류인 1-10-alkyl-3-methylimidazolium bromide([C10mim][Br]) 은 특정한 환경에서 양친매성을 가진다. 이번 논문에서 우리는 분자동역학을 이용하여 수용액에서의 [C10mim][Br]의 응집 거동에 대한 연구를 진행하였다. 정준모듬(canonical ensemble)을 이용하여 모사 간 시스템의 부피와 온도를 일정하게 유지시키고 5ns 동안의 전산모사를 통하여 얻은 radial distribution function(RDF)을 이용하여 [C10mim][Br]과 물 분자간의 상호작용 및 그 분포의 특성에 대하여 논의하였다. 분자동역학적 계산을 위하여 LAMMPS 코드를 사용하였고, VMD 코드를 이용하여 후처리(post processing)을 진행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Ionic liquids (ILs) existing in the liquid ion form under standard conditions show a unique properties. 1-10-Alkyl-3-methyl-imidazolium bromide ([C10mim][Br]) is one of the ILs that shows amphiphilic characteristics under specific conditions. This property enables it to function as a surfactant, and therefore, it finds applications in a wide range of areas. In this study, we tried to predict the behavior, especially the aggregation aspect, of [C10mim][Br] in an aqueous solution using molecular dynamics (MD) simulations. The canonical (NVT) ensemble was used to relax the system and trace the trajectory of atoms. Several case studies were simulated and the interaction among [C10mim]+, [Br]-, and water was analyzed using the radial distribution function of each atom. The density distribution function was also used for the structural analysis of the entire system. We used the Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS) code for the present MD simulations.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

양이온([C10mim]) 자체적으로는 구조적으로 전하를 띄고 있는 양이온 고리에서의 거리가 가장 거리가 먼 C16 간 의 결합이 강하게 나타난다. ILs와 물의 혼합시스템에서 ILs가 형성하는 구조에 주된 요인을 소수성 상호작용이라 가정한다면 소수성한 부분의 물 분자와의 접촉을 최소화하고 양이온([C10mim]) 간의 상호작용을 통하여 구조가 형성이 된다. 또한 그 경향은 가장 소수성이 강한 부분이라고 생각할 수 있는 C16 부근에서 가장 강하게 나타난다.
3을 통해서 물 분자와 [C10mim][Br]의 각 부분간의 상호작용의 경향성을 확인하고 어느 각 부분이 소수성과 친수성적인 성질을 가지는지에 대해 분석하였다. 물 분자의 위치는 물 분자 내의 산소원자의 위치로 가정하고 계산하였다. Br-water RDF의 첫 번째 피크가 3.
용액 내에서 [C10mim]은 양이온으로 존재하고 [Br]은 음이온으로 존재한다. 양이온의 위치는 양이온 고리의 질소원자의 위치와 같다고 가정하고 계산하였다(Fig. 1의 1번 위치)

제안 방법

5ns 동안의 시뮬레이션을 통하여 얻은 결과를 기준 원자와의 거리(r)에 따른 다른 원자들의 밀도분포(G)를 나타내는 RDF을 이용하여 [C10mim][Br]와 물 분자와의 상호작용을 살펴보고 그 거동에 대해서 분석하였다. 용액 내에서 [C10mim]은 양이온으로 존재하고 [Br]은 음이온으로 존재한다.
Fig. 3을 통해서 물 분자와 [C10mim][Br]의 각 부분간의 상호작용의 경향성을 확인하고 어느 각 부분이 소수성과 친수성적인 성질을 가지는지에 대해 분석하였다. 물 분자의 위치는 물 분자 내의 산소원자의 위치로 가정하고 계산하였다.
마지막으로 위의 분석 결과와 그림을 이용하여 양이온 응집에 대해서 분석하였다. Fig.
5nm³의 부피를 가진 정육면체 상자에 50 쌍의 [C10mim][Br]과 3160개의 물 분자를 섞은 수용액을 이용하였다. 물 분자로 simple point charge mode(SPC)을 사용하였고 NVT ensemble을 이용하여 시뮬레이션동안 부피와 온도를 안정적으로 유지하였다. CHARMM force field를 이용한 시뮬레이션이 총 5ns 동안 진행되었다.
양이온-양이온 간의 상호작용을 분석하기위하여 Fig. 1을 참고하여 각 원자의 분자 내에서의 위치에 따른 RDF를 이용하였다. Fig.
쉽게 생각하면 같은 표면으로 연결된 부분들은 소수성 상호작용과 같은 약한 결합을 하고 있다는 의미이다. 응집 형태를 살펴보기 위하여 양이온, 즉, [C10mim]를 질소 원자가 위치하고 있는 고리부분과 그 외 탄소사슬부분으로 나누었다. 하늘색은 양이온의 탄소 사슬부분이고 진한 파랑색은 양의온의 질소 고리 부분을 나타낸다.
또한 그 경향은 가장 소수성이 강한 부분이라고 생각할 수 있는 C16 부근에서 가장 강하게 나타난다. 이를 위하여 상대적으로 친수성인 양이온 고리 부분을 표면에 최대로 노출시켜 물 분자들과 상호작용하고 상대적으로 소수성인 부분끼리 서로 응집하여 노출을 최소한으로 줄이는 방향으로 구조가 형성되는 것을 RDF 와 그림을 통해서 확인할 수 있다.
이번 연구에서는 [C10mim][Br]와 물의 혼합시스템에서의 [C10mim][Br]의 응집에 대한 거동을 분자동역학(Molecular Dynamics)를 이용하여 모사하였다.^(6,7)
지금까지 분자동역학 시뮬레이션을 통하여 ILs의 한 종류인 [C10mim][Br]의 수용액 내의 거동에 대해 살펴보았다. RDF를 통한 간단한 분석을 실행한 결과 용액 내 각 원소 간의 상호작용에 대한 특성을 확인할 수 있었다.

대상 데이터

이번 시뮬레이션에서는 0.5nm³의 부피를 가진 정육면체 상자에 50 쌍의 [C10mim][Br]과 3160개의 물 분자를 섞은 수용액을 이용하였다. 물 분자로 simple point charge mode(SPC)을 사용하였고 NVT ensemble을 이용하여 시뮬레이션동안 부피와 온도를 안정적으로 유지하였다.
기타 시뮬레이션에 관한 세부사항들은 참고문헌 5를 참조하였다. 이번 연구에서 진행된 모든 계산과 후처리에는 LAMMPS code와 VMD software를 사용하였다.

성능/효과

지금까지 분자동역학 시뮬레이션을 통하여 ILs의 한 종류인 [C10mim][Br]의 수용액 내의 거동에 대해 살펴보았다. RDF를 통한 간단한 분석을 실행한 결과 용액 내 각 원소 간의 상호작용에 대한 특성을 확인할 수 있었다. 특히 양이온-양이온 RDF를 이용하여 양이온끼리 특정 형태의 결합을 선호한다는 것을 알아내었고 이를 이용하여 양이온-응집이 특수한 형태의 구조를 띌 수 있다는 가능성과 이를 분자동역학 전산모사를 통하여 예측할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
RDF를 통한 분석 결과와 위의 그림을 통한 결과를 연관을 지어 생각해보면 양이온 ([C10mim])은 물분자 또는 음이온(Br)과의 직접적인 상호작용이 물 분자와 물 분자, 그리고 물 분자와 음이온간의 상호작용보다는 약하게 나타난다. 양이온([C10mim]) 자체적으로는 구조적으로 전하를 띄고 있는 양이온 고리에서의 거리가 가장 거리가 먼 C16 간 의 결합이 강하게 나타난다.
즉, RDF가 극솟값을 나타내는 지점에 물 분자들이 위치하고 있는 것이라 생각할 수 있다. [C10mim] -[C10mim] RDF를 살펴보면 9Å 근처에 첫 번째 피크가 형성되지만 두 번째 피크를 찾기 힘들고 넓은 형태의 피크를 이루는 것을 확인할 수 있다. 마지막으로 [C10mim]-[Br]의 RDF에서는 첫 번째 피크가 역시 5Å 근처에서 형성이 되지만 주기성을 찾기 어렵다.
8Å 위치에서 수소결합이 형성하는 것을 확인할 수 있다. [C10mim]-water RDF를 통하여 상대적으로 양이온과 물 분자는 상호작용이 미약하다는 것을 확인가능하다. 이는 양이온과 물 분자 간의 상호작용보다는 양이온-양이온 간의 상호작용이 더욱 활발하다는 것을 예측할 수 있게 해준다
8Å)이 형성되는 것을 알 수 있다. 또한 water-water RDF를 통하여 물 분자들 사이에서도 평균적으로 2.8Å 위치에서 수소결합이 형성하는 것을 확인할 수 있다. [C10mim]-water RDF를 통하여 상대적으로 양이온과 물 분자는 상호작용이 미약하다는 것을 확인가능하다.
3Å 근처에서 피크를 형성한다. 첫 번째 피크와 두 번째 피크의 형태 비교를 통해서 피크의 크기는 다르지만 피크의 범위는 약 2.0Å 으로 거의 일치함을 확인할 수 있다. 이는 물 분자들에 의한 음이온(Br)의 용매화(solvation)에 기인한 것이라고 생각할 수 있다.
RDF를 통한 간단한 분석을 실행한 결과 용액 내 각 원소 간의 상호작용에 대한 특성을 확인할 수 있었다. 특히 양이온-양이온 RDF를 이용하여 양이온끼리 특정 형태의 결합을 선호한다는 것을 알아내었고 이를 이용하여 양이온-응집이 특수한 형태의 구조를 띌 수 있다는 가능성과 이를 분자동역학 전산모사를 통하여 예측할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 이번 연구에서는 매우 기초적인 결과만을 얻었지만 앞으로 수용액 내의 [C10mim][Br]의 농도와 시뮬레이션 상자의 크기 등 여러 가지 조건을 적절하게 조절한다면 Micelle등과 같은 특정형태의 응집현상을 확인할 수 있으리라 기대된다.

후속연구

특히 양이온-양이온 RDF를 이용하여 양이온끼리 특정 형태의 결합을 선호한다는 것을 알아내었고 이를 이용하여 양이온-응집이 특수한 형태의 구조를 띌 수 있다는 가능성과 이를 분자동역학 전산모사를 통하여 예측할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 이번 연구에서는 매우 기초적인 결과만을 얻었지만 앞으로 수용액 내의 [C10mim][Br]의 농도와 시뮬레이션 상자의 크기 등 여러 가지 조건을 적절하게 조절한다면 Micelle등과 같은 특정형태의 응집현상을 확인할 수 있으리라 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ILs란 무엇인가?	ILs 란 액체 전체가 염(salt)으로만 이루어진 물질을 말하는데 비교적 낮은 온도에서도 액상으로 존재할 수 있고 고유의 전기화학적 성질 등 다른 물질과 구분되는 여러 가지 특성을 가지고 있어 많은 사람들의 관심을 끌고 있다.(1,2)
	1-10-alkyl-3-methyl imidaz-olium bromide([C10mim][Br])의 특성은 무엇인가?	이번 연구에서 사용한 1-10-alkyl-3-methyl imidaz-olium bromide([C10mim][Br]) 은 ILs 의 한 종류로 알킬기(alkyl chain)의 크기를 조절하고 음이온을 여러 가지 물질로 쉽게 변화시키고 다양한 성질을 유도할 수 있다. 특히 이런 변화를 통해 나타나는 ILs의 응집은 용액 전체의 성질과 다양한 응용가능성에 중요한 역할을 하기 때문에 많은 연구자들의 연구대상이 되고 있다.
	Ionic Liquids의 특성은 무엇인가?	ILs 란 액체 전체가 염(salt)으로만 이루어진 물질을 말하는데 비교적 낮은 온도에서도 액상으로 존재할 수 있고 고유의 전기화학적 성질 등 다른 물질과 구분되는 여러 가지 특성을 가지고 있어 많은 사람들의 관심을 끌고 있다.(1,2)

참고문헌 (7)

Earle, M. J. and Seddon, K. R., 2000, "Ionic Liquids. Green Solvents for the Future," Pure and Applied Chemistry, Vol. 72, No. 7, pp. 1391-1398.

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Welton, T., 1999, "Room-Temperature Ionic Liquids. Solvents for Synthesis and Catalysis," Chemical Reviews, Vol. 99, No. 8, pp. 2071-2084.

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Dupont, J., de Souza, R. F. and Suarez, P. A. Z., 2002, "Ionic Liquid (Molten Salt) Phase Organometallic Catalysis," Chemical Reviews, Vol. 102, No. 10, pp. 3667-3692.

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Ranke, J., Stolte, S., Stormann, R., Arning, J. and Jastorff, B., 2007, "Design of Sustainable Chemical Prducts - The Example of Ionic Liquids," Chemical Reviews, Vol. 107, No. 6, pp. 2183-2206.

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Greaves, T. L. and Drummond, C. J., 2008, "Ionic Liquids as Amphiphile Self-Assembly Media," Chemical Society Reviews, Vol 37, No 8, pp. 1709-1726.

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Bhargava, B. L. and Klein, M. L., 2009, "Molecular Dynamics Studies of Cation Aggregation in the Room Temperature Ionic Liquid [C10mim][Br] in Aqueous Solution," The Journal of Physical Chemistry(A), Vol. 113, No. 10, pp. 1898-1904.

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Zhao, Y., Gao, S., Wang, J. and Tang, J., 2008, "Aggregation of Ionic Liquids [Cnmim]Br (n4, 6, 8, 10, 12) in D2O: A NMR Study," The Journal of Physical Chemistry(B), Vol. 112, No. 7, pp. 2031-2032.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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