분자 동력학(Molecular dynamics; MD) 전산모사 기술은 대상이 되는 입자(일반적으로, 원자)의 위치와 속도를 계산하여, 원자 및 분자들의 다양한 구조 및 동적 특성을 분석하는 데에 있어서 매우 유용한 기술이다. 기체 분리막 연구에 있어서도 MD는 그동안 free volume 분석, conformation search 등과 같은 고분자구조 분석 및 permeability, diffusivity와 같은 기체 투과 거동을 연구하는 데 널리 사용되어 왔다. 본 총설에서는 기체 분리막 분야에 MD를 적용하는 일반적인 방법론에 대하여 서술하고, 다양한 관련 연구들을 소개하고자 한다.
분자 동력학(Molecular dynamics; MD) 전산모사 기술은 대상이 되는 입자(일반적으로, 원자)의 위치와 속도를 계산하여, 원자 및 분자들의 다양한 구조 및 동적 특성을 분석하는 데에 있어서 매우 유용한 기술이다. 기체 분리막 연구에 있어서도 MD는 그동안 free volume 분석, conformation search 등과 같은 고분자 구조 분석 및 permeability, diffusivity와 같은 기체 투과 거동을 연구하는 데 널리 사용되어 왔다. 본 총설에서는 기체 분리막 분야에 MD를 적용하는 일반적인 방법론에 대하여 서술하고, 다양한 관련 연구들을 소개하고자 한다.
Molecular dynamics (MD) computer simulation is a very useful tool to calculate the trajectory and velocity of particles (generally, atoms), and thus to analyze the various structures and kinetic properties of atoms and molecules. For gas separation membranes, MD has been widely used for structure an...
Molecular dynamics (MD) computer simulation is a very useful tool to calculate the trajectory and velocity of particles (generally, atoms), and thus to analyze the various structures and kinetic properties of atoms and molecules. For gas separation membranes, MD has been widely used for structure analysis of polymers such as free volume analysis and conformation search, and for the study of gas transport behavior such as permeability and diffusivity. In this paper, general methodology how to apply MD on gas separation membranes will be described and various related researches will be introduced.
Molecular dynamics (MD) computer simulation is a very useful tool to calculate the trajectory and velocity of particles (generally, atoms), and thus to analyze the various structures and kinetic properties of atoms and molecules. For gas separation membranes, MD has been widely used for structure analysis of polymers such as free volume analysis and conformation search, and for the study of gas transport behavior such as permeability and diffusivity. In this paper, general methodology how to apply MD on gas separation membranes will be described and various related researches will be introduced.
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문제 정의
또한, 메조스케일 모델링은 원자의 집합체 혹은 분자의 집합체를 하나의 단위로 하여 전산모사를 수행하며, 따라서 원자단위의 세부적인 묘사는 불가능하게 되지만 전체 계산량이 획기적으로 줄어들기 때문에, MD보다도 훨씬 큰 mm 단위의 계의 묘사가 가능해지며, 계산 시간도 초 단위까지도 모사가 가능하게 된다. 본 총설에서는 이 중 MD에 초점을 맞추어, 그 특징과 어떻게 기체 분리용 고분자 분리막 관련 연구에 응용되어질 수 있는지 소개하는 시간을 갖고자 한다.
실질적인 의미에서, MD를 직접적으로 활용한 기체 분리막 연구 분야는 고분자 모델을 투과하여 나가는 기체 분자들의 움직임을 모사하고 이를 투과 성능과 연관짓는 것이다. 물론, 단순히 투과도만을 측정하는 것으로는 큰 의미가 없고, 고분자 모델의 free volume, 기체 및 솔벤트 분자에 대한 친화도 등을 동시에 분석하여, 실험만으로는 부족할 수 있는 이론적인 부분을 제시하는 것을 주된 목적으로 하고 있다. 다음에 소개될 연구 내용을 통하여, 일반적인 기체 분리막 관련 MD 논문의 흐름을 살펴보고자 한다.
물론, 단순히 투과도만을 측정하는 것으로는 큰 의미가 없고, 고분자 모델의 free volume, 기체 및 솔벤트 분자에 대한 친화도 등을 동시에 분석하여, 실험만으로는 부족할 수 있는 이론적인 부분을 제시하는 것을 주된 목적으로 하고 있다. 다음에 소개될 연구 내용을 통하여, 일반적인 기체 분리막 관련 MD 논문의 흐름을 살펴보고자 한다.
제안 방법
첫 번째 분야는 분리막을 구성하고 있는 고분자 재료의 화학구조에 대한 연구를 진행하는 것이다. 이를 통하여, 고분자의 주쇄 및 작용기 등의 화학적 구조가 최종 고분자의 특성에 어떤 식으로 영향을 미치는지 분석하며, 또한 polymerization에 대한 정보를 얻을 수도 있다. 이러한 전략은 초창기 고분자의 전산 모사 연구에서 주로 활용이 많이 되었는데, 이를 통하여 당시의 낮은 컴퓨터 성능에도 계산이 가능한 모노머나 repeat unit 등을 대상으로 연구가 진행되었다.
3), 전산 모사 기술이 어떻게 발전하였는지를 확인할 수 있다. 해당 연구는 PBO 중에서도 열처리를 통해서 전구체인 hydroxyl group-containg polyimide(HPI)로부터 얻어지는 thermally rearranged PBO(TR-PBO)를 모사한 것으로, 특히 열처리 과정 중에 일어나는 구조의 변화와 이러한 변화가 최종적으로 기체 투과 성능의 핵심인 free volume에 미치는 영향을 관찰하였다[12]. 따라서, MD를 통하여 열처리 과정을 모사하는 것이 필수이며, free volume과 같은 bulk property를 관찰하기 위해서는 단순한 모노머나 짧은 고분자 주쇄만으로는 정확한 결과를 얻을 수 없게 된다.
특히, 폴리이미드 관련하여 많은 연구를 진행하였으며, free volume을 구성하는 cavity 의 사이즈와 connectivity를 정량화할 수 있는 Rmax & Vconnect 기술을 개발하여, 이러한 free volume morphology와 기체 투과 성능과의 상관관계를 연구하였다(Fig. 5) [13,23].
Fig. 2(a)와 같은 다양한 PBO 모노머들의 포텐셜 에너지맵과 conformation에 따른 확률 밀도 그래프를 통하여, 최종 고분자의 구조를 예측하였으며, 특히 p-phenylen과 oxazole 구조의 coplanar 구조를 설명하였다. 이러한 전산 모사 기술의 활용은 최근에도 여전히 활발하게 사용이 되고 있으며, 컴퓨터 계산 속도의 발전과 더불어 더 큰 고분자 구조를 활용하여, 더 실제 상황에 근접한 결과를 얻고 있다.
성능/효과
따라서, 기체 분리막의 가장 중요한 특성인 기체투과 거동(기체 분자의 움직임)을 직접적으로 모사할 수 있다. (ii) 기체의 투과 현상은 이온교환막의 수소이온 전달 메커니즘이나 수화 상태에서의 이온의 전달과 같은 복잡한 투과 메커니즘에 의존하지 않기 때문에, 상대적으로 분자 전산 모사 기술을 적용하기가 용이하다. (iii) 마찬가지 이유로, 실험 시 고려해야 할 변수들(ex : electronic field, solvent effect 등)이나 전달현상에 관여하는 분자의 수(ex : 수화상태에서의 다량의 물분자)가 상대적으로 적으므로, 시뮬레이션 자원(ex : cpu, 계산 시간 등)면에서 효율적이다.
(ii) 기체의 투과 현상은 이온교환막의 수소이온 전달 메커니즘이나 수화 상태에서의 이온의 전달과 같은 복잡한 투과 메커니즘에 의존하지 않기 때문에, 상대적으로 분자 전산 모사 기술을 적용하기가 용이하다. (iii) 마찬가지 이유로, 실험 시 고려해야 할 변수들(ex : electronic field, solvent effect 등)이나 전달현상에 관여하는 분자의 수(ex : 수화상태에서의 다량의 물분자)가 상대적으로 적으므로, 시뮬레이션 자원(ex : cpu, 계산 시간 등)면에서 효율적이다. (iv) 기체 분리 분야의 경우, 다른 분리막 공정에 비해서 상용화 및 관련 공정이 일찍부터 발전을 하였다[14].
3 (a, b)). 그리고, 최종적으로 이러한 열처리 과정에서 일어나는 구조 변화를 통하여, TR-PBO 내부에 서로 연결된 free volume 구조가 형성되면서 더 많은 free volume 비율을 갖게 된다는 것을 설명하였다(Fig. 3(c)).
후속연구
따라서, 구성 성분의 조성이나 농도가 변하는 경우나, 다양한 압력 조건, 혹은 특정한 driving force를 적용해야할 경우 등에는 classical MD의 적용이 적절하지 못할 수도 있다. 그러나, 지속적인 프로그램의 개선 및 발전이 꾸준히 이루어져 있고, 정보/통신의 발달로 인하여 관련 정보들을 연구자들이 입수하기가 수월해 졌으며, non-equilibrium molecular dynamics (NEMD)[34]와 같은 다양한 MD 관련 기술들도 발전을 하고 있기 때문에, 앞으로도 MD 전산모사 기술은 기체 분리막 분야의 연구에 있어서 유용하고 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
분자동역학은 어디에 활용되는가?
또한, 앞서 언급했듯이, force-field가 미리 정의되어 있어야 하기 때문에, 원자나 원자간 결합에 해당하는 값이 없는 경우에는 여러 실험값이나 다른 시뮬레이션 값을 바탕으로 실험자가 직접 정의하거나[12], 이 또한 할 수 없는 경우에는 계산 자체가 어렵게 되거나, 정확한 결과를 얻을 수 없게 된다. MD는 주로 시간의 변화에 따른 고분자의 구조 변화 분석 및 고분자 내에서의 기체 확산 분석 등에 널리 활용되고 있는데, 다음 장에서 대표적인 예를 통하여 실제 기체 분리막 연구에 어떻게 응용되고 있는지 소개하고자 한다.
분자 동력학 전산모사 기술이란?
분자 동력학(Molecular dynamics; MD) 전산모사 기술은 대상이 되는 입자(일반적으로, 원자)의 위치와 속도를 계산하여, 원자 및 분자들의 다양한 구조 및 동적 특성을 분석하는 데에 있어서 매우 유용한 기술이다. 기체 분리막 연구에 있어서도 MD는 그동안 free volume 분석, conformation search 등과 같은 고분자 구조 분석 및 permeability, diffusivity와 같은 기체 투과 거동을 연구하는 데 널리 사용되어 왔다.
고분자 분리막의 특성을 연구하는 데에 있어서 가장 어려운 점 중에 하나는?
특히 기체분리 시스템으로의 활용을 위해 다양한 소재에 대하여 최적의 성능을 가지는 고분자 소재 및 조성의 확보를 위해 전 세계적으로 활발한 연구를 진행하고 있다[1-3]. 고분자 분리막의 특성을 연구하는 데에 있어서 가장 어려운 점 중에 하나는, 많은 수의 원자들로 이루어져 있는 고분자 구조에 있어서, 각각의 원자들이 상대적으로 훨씬 거대한 전체 고분자의 성질에 미치는 영향을 개별적으로 분석해내기가 어렵다는 것이다. 물론, 다양한 분석 방법들의 발달은 이러한 구조-특성 간의 상관관계를 이전에 비하여 더욱 자세히 다룰수 있는 환경을 제공하고 있으나[4,5] 여전히 대부분의 경우 분석 방법 자체에 내재된 제한범위 안에서 결과적이고 경험적인 결론을 도출하는 데에 그치고 있다.
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