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[국내논문] SPC/F2 Water Model의 온도변화에 따른 물 분자의 양자효과 비교 : 분자동력학 모의실험 원문보기

EDISON SW 활용 경진대회 논문집. 제4회(2015년), 2015 Mar. 19, 2015년, pp.105 - 110  

김태훈 (세종대학교 화학과) ,  문성욱 (세종대학교 화학과)

초록
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본 연구의 목적은 $SPC/F_2$ water model에 대하여 정해진 여러 온도(250K, 280K, 300K, 350K)에서 경수(light water)와 중수(heavy water)의 일정부피 열용량($C_V$)을 계산하는 것이다. 모의실험은 path integral molecular dynamics (PIMD) 방법을 바탕으로, 계산상에서 물 분자 64개에 대해서 실제 물의 밀도에 맞는 일정한 부피를 설정한 후, 이 때 ring-polymer의 bead수는 양자효과를 보일 수 있는 24개와, 양자효과가 없는1개로 실험을 진행했다. 그 결과로 system의 $C_V$를 얻었고, 수소 동위원소의 변화, 온도의 변화, 양자조건의 여부에 따라 나타나는 차이를 각각 비교했다. 모의실험 결과로 온도가 낮을수록, 양자효과가 클수록, 수소의 질량이 작을수록 열용량이 증가하는 결과를 보였다.

AI 본문요약
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문제 정의

  • 1 또 다른 연구로, water model인 TIP4PQ/2005의 온도변화, 수소 동위원소 변화에 따른 일정압력 열용량(CP)를 계산한 결과, 각 조건에 따라 CP가 다르게 나타났다.2 이를 바탕으로 수소의 질량이 증가함, 온도가 증가함에 따라 양자효과가 감소할 것이라는 예측을 가지고 SPC/F2모델에 대해서 경수(light water, H2O)와, 중수(heavy water, D2O)의 일정부피 열용량(CV)을 비교해 보고, 매 경우 PIMD의 bead수를 24개, 1개일 때를 설정하여 양자효과에 따라 물의 특성이 얼마나 변하는지 계산을 통해 정량적으로 알아보는 것이 본 연구의 목적이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
물의 열용량은 양자효과와 어떤 관련을 갖는가? 모의실험을 계획할 때 수소의 질량이 커질수록, 온도가 증가할수록 양자효과가 작아진다고 예상했다. 이 예상과 결과를 비교해보면 양자효과가 고려될수록, 수소의 질량이 작을수록 열용량이 커졌다. 온도 데이터와도 비교해보았을 때, 낮은 온도에서 열용량이 증가한 사실이 양자효과 증가에 의한 열용량의 증가와 일치한다. 따라서 온도가 낮을수록, 물 분자내의 수소의 질량이 작을수록, 계산상에서 양자효과가 고려될수록 물의 열용량은 커진다.
물에서 일어나는 양자효과에 대해, 물의 점성 측면에서 들수 있는 예시는? 실제 물은 질량이 작은 수소원자들에 의해 양자효과가 일어난다. 일례로, 고전적인 관점에서 본다면, 물은 수소결합을 형성하므로 높은 점성을 가질 것으로 예상할 수 있지만, 이 예상과는 달리 수소원자의 zero-point energy effect(ZPE)와 tunneling effect에 기인한 수소결합의 network가 약화되어 물 분자가 큰 확산계수를 가지게 되면서 예상보다 낮은 점성을 나타낸다. Harbershon외 다수에 의해 연구된 결과를 보면, 양자효과를 고려한 모델들과 고전적인 모델들의 계산결과를 서로 비교했을 때 그들 간에 차이가 존재한다는 결과가 있었다.
path integral법은 누구에 의해 제시되었는가? 양자역학이나 양자장론을 기술하는 방법 중 색다른 견해를 제시한 path integral법은 1948년 Feynman에 의해 제안되었다. Feynman의 path integral을 향한 통찰을 간단히 살펴보자면, system의 total transition probability amplitude는 각각의 입자가 선택한 개별적 경로의 amplitude를 모두 합함으로써 산출이 가능하다는 것이다.
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