분자동역학 시뮬레이션을 이용한 이팔면체 점토광물 수산기 연구

손상보 ( Sangbo Son ),권기덕 ( Kideok D. Kwon ) 한국광물학회 2016 광물과 암석 (J.Miner.Soc.Korea) Vol.29 No.4

점토광물은 대기부터 지하수에 이르는 크리티컬존(critical zone) 영역에서 금속과 탄소 순환을 결정짓는 역할을 한다. 계산광물학 연구방법 중에 하나인 분자동역학(molecular dynamics) 시뮬레이션은 지구물질을 원자단위로 계산하기 때문에, 점토광물의 물리화학적 현상들에 대해 원자수준의 자세한 정보를 제공할 수 있다. 이번 연구에서는 clayFF 힘 장(force field)을 사용한 분자동역학 시뮬레이션을 이팔면체 점토광물인 깁사이트(gibbsite, Al(OH)₃), 카올리나이트(kaolinite, Al₂Si₂O₅(OH)₄), 파이로필라이트(pyrophyllite, Al₂Si₄O₁₀(OH)₂)에 적용하여 300 K, 1기압조건에서 각 광물이 가지는 격자상수와 원자간 거리를 계산하고 실험결과와 비교하였다. 더불어 수산기의 방향성 및 수소결합의 양상 그리고 파워스펙트럼(power spectrum)을 추가적으로 계산하였다. 계산 결과, 격자상수는 기존의 실험결과와 약 0.1~3.7% 미만의 오차율을 보였으며, 원자간 거리는 실험결과와 약 5% 미만의 차이를 가졌다. 깁사이트나 카올리나이트의 팔면체층 표면에 존재하는 수산기가 가지는 신축진동파수(stretching vibrational wavenumber)는 실험값 보다 약 200-300 cm^-1높게 계산되었지만, 팔면체층 표면에 존재하는 수산기들의 상대적 크기의 경향은 기존 실험 결과와 일치하였다. 팔면체층 표면의 수산기가 (001)면과 이루는 각도도 기존 실험결과와 상당부분 일치한 반면에 내부 수산기의 경우는 다소 차이를 보였다. ClayFF를 사용한 분자동역학 시뮬레이션 연구 방법은 이팔면체 점토광물 표면 내(층간) 금속이 온 흡착에 대한 수산기의 역할을 규명하는데 유용한 연구방법이 될 수 있음을 시사한다. Clay minerals are a major player to determine geochemical cycles of trace metals and carbon in the critical zone which covers the atmosphere down to groundwater aquifers. Molecular dynamics (MD) simulations can examine the Earth materials at an atomic level and, therefore, provide detailed fundamental-level insights related to physicochemical properties of clay minerals. In the current study, we have applied classical MD simulations with clayFF force field to dioctahedral clay minerals (i.e., gibbsite, kaolinite, and pyrophyllite) to analyze and compare structural parameters (lattice parameter, atomic pair distance) with experiments. We further calculated vibrational power spectra for the hydroxyls of the minerals by using the MD simulations results. The MD simulations predicted lattice parameters and interatomic distances respectively deviated less than 0.1~3.7% and 5% from the experimental results. The stretching vibrational wavenumber of the hydroxyl groups were calculated 200-300 cm^-1higher than experiment. However, the trends in the frequencies among different surface hydroxyl groups of each mineral was consistent with experimental results. The angle formed by the surface hydroxyl group with the (001) plane and hydrogen bond distances of the surface hydroxyls were consistent with experimental result trends. The inner hydroxyls, however, showed results somewhat deviated from reported data in the literature. These results indicate that molecular dynamics simulations with clayFF can be a useful method in elucidating the roles of surface hydroxyl groups in the adsorption of metal ions to clay minerals.

열경화성 에폭시 기지의 흡습탄성 거동에 관한 분자동역학 전산모사

권선영,이만영,양승화 한국복합재료학회 2017 Composites research Vol.30 No.6

In this study, hygroelastic behavior of thermosetting epoxy is predicted by molecular dynamics simulations. Since consistent exposures to humid environments lead to macroscopic degradation of polymer composite, computational simulation study of the hygroscopically aged epoxy cell is essential for long-time durability. Therefore, we modeled amorphous epoxy molecular unit cell structures at a crosslinking ratio of 30, 90% and with the moisture weight fraction of 0, 4 wt% respectively. Diglycidyl ether of bisphenol F (EPON862) and triethylenetetramine (TETA) are chosen as resin and curing agent respectively. Incorporating equilibrium and non-equilibrium ensemble simulation with a classical interatomic potential, various hygroelastic properties including diffusion coefficient of water, coefficient of moisture expansion (CME), stress-strain curve and elastic modulus are predicted. To establish the structural property relationship of pure epoxy, free volume and internal non-bond potential energy of epoxy are examined. 본 연구에서는 대표적인 열경화성 재료인 에폭시 기지의 흡습탄성 거동을 예측하기 위해 분자동역학 전산모사를수행하였다. 고분자 복합재가 오랜 시간 동안 흡습환경에 지속적으로 노출될 경우, 거시적 물성의 저하가 발생하기 때문에 복합재의 내구설계 측면에 있어 흡습노화 현상에 대해 분자스케일적으로 접근하는 방법은 매우 중요하다. 본 연구에서는 EPON862® 수지와 아민계 Triethylenetetramine (TETA) 경화제로 비정질 에폭시 분자모델을 구성하였으며, 각각 30과 90%의 가교 상태에서 수분 흡수 유무에 따른 물성변화를 관찰하였다. 건조상태의 에폭시와 수분이 4 wt% 포함된 에폭시 단위셀에 대한 평형 및 비평형 앙상블 전산모사 과정을 통해, 에폭시의수분팽창계수, 응력-변형률 선도 및 탄성계수 그리고 침투된 수분의 수지 내 확산계수를 예측하였다. 또한 흡습된구조와 그에 따른 물성변화의 상관관계를 규명하기 위해, 자유체적 변화 및 흡습에 따른 에폭시 수지의 비결합 포텐셜 에너지 변화를 관찰하였다.

Na-, K-버네사이트 층간 구조에 대한 분자동역학 시뮬레이션 연구

박수정,권기덕 한국암석학회·(사)한국광물학회 2020 광물과 암석 (J.Miner.Soc.Korea) Vol.33 No.3

Birnessite is a layered manganese oxide mineral with ~7 Å of d-spacing. Because of its high cation exchange capacity, birnessite greatly impacts the chemical compositions of ground water and fluids in sediment pores. Understanding the cation exchange mechanisms requires atomistic investigations of the crystal structures and coordination environments of hydrated cations in the interlayer. In this study, we conducted classical molecular dynamics (MD) simulations, an atomistic simulation method of computational mineralogy, for triclinic Na-birnessite and K-birnessite whose chemical formula are from previous experiments. We report our MD simulation results of the crysta structures, coordination environments of Na+ and K+, and the polytypes of birnessite and compare them with available experimental results. The simulation results well reproduced experimental lattice parameters and provided atomic level information for the interlayer cation and water molecule sites that are difficult to distinguish in X-ray experiments. We also report that the polytype of the Mn octahedral sheets is identical between Na- and K-birnessite, but the cation positions differ from each other, demonstrating a correlation between the coordination environment of the interlayer cations and the crystal lattice parameters. This study shows that MD simulations are very promising in elucidating ion exchange reactions of birnessite. 버네사이트(birnessite)는 약 7Å의 d-spacing을 가지는 대표적인 층상형 산화망간광물로 높은 양이온 교환능력을 가지기 때문에 지하수나 퇴적물 공극 유체의 화학조성을 결정짓는 중요한 역할을 한다. 버네사이트의 양이온 교환 반응 기작을 규명하기 위해서는 층간 내 양이온의 배위 환경과 결정구조에 대한 원자 수준의 이해가 매우 중요하다. 이번 연구에서는 원자 수준의 계산광물학 방법인 고전 분자동역학(classical molecular dynamics; MD) 시뮬레이션을 이용하여 기존 실험에서 보고된 화학조성을 가지는 삼사정계 N a-와 K-버네사이트의 결정구조, 층간 양이온의 배위 환경 및 적층 구조를 계산하였다. 계산 결과는 기존 X-선 실험에서 보고된 격자 상수와 층간 배위 환경을 잘 재현하여 시뮬레이션 방법의 신뢰성을 보여주었으며, X-선 실험만으로는 구분하기 어려운 층간의 양이온과 물 분자 위치를 구별한 원자 수준의 정보를 제공하였다. 망간 팔면체 층의 적층 순서는 동일하지만 층간 내 N a+와 K+의 위치가 서로 상이하고, 층간 양이온의 배위 환경과 결정구조 간의 상관관계를 보인다. 원자 수준의 분자동역학 시뮬레이션은 버네사이트의 양이온 교환 반응 기작 규명에 크게 기여할 것으로 기대한다.

삼팔면체 점토광물에 대한 분자동역학 시뮬레이션 연구

이지연,이진용,권기덕 한국광물학회 2017 광물과 암석 (J.Miner.Soc.Korea) Vol.30 No.4

Clay minerals play a major role in the geochemical cycles of metals in the Critical Zone,the Earth surface-layer ranging from the groundwater bottom to the tree tops. Atomistic scale researchof the very fine particles can help understand the fundamental mechanisms of the importantgeochemical processes and possibly apply to development of hybrid nanomaterials. Molecular dynamics(MD) simulations can provide atomistic level insights into the crystal structures of clay minerals andthe chemical reactivity. Classical MD simulations use a force field which is a parameter set ofinteratomic pair potentials. The ClayFF force field has been widely used in the MD simulations ofdioctahedral clay minerals as the force field was developed mainly based on dioctahedral phyllosilicates. The ClayFF is often used also for trioctahedral mineral simulations, but disagreement exits in selection of the interatomic potential parameters, particularly for Mg atom-types of the octahedral sheet. In this study, MD simulations were performed for trioctahedral clay minerals such as brucite, lizardite,and talc, to test how the two different Mg atom types (i.e., ‘mgo’ or ‘mgh’) affect the simulationresults. The structural parameters such as lattice parameters and interatomic distances were relativelyinsensitive to the choice of the parameter, but the vibrational power spectra of hydroxyls were moresensitive to the choice of the parameter particularly for lizardite. 점토광물은 지하수 바닥부터 산림에 이르는 지구의 얇은 표면에 해당하는 ‘크리티컬존(criticalzone)’에 존재하는 금속원소의 지구화학적 순환에 중요한 역할을 한다. 입자 크기가 매우 작은 점토광물에 대한 원자 수준(atomistic scale)의 연구는 지구화학적 순환 과정에 대한 정확한 기작(mechanism)을 규명할 수 있을 뿐만 아니라 재료개발과 같은 산업분야에도 응용될 수 있다. 원자 간의 페어 퍼텐셜(pair potential)을 파라미터화한 힘 장(force field)을 사용하는 분자동역학(molecular dynamics) 컴퓨터 시뮬레이션은 원자 수준의 정보를 제공할 수 있기 때문에 실험과 함께 점토광물의 결정구조와 반응도 연구에 사용된다. 점토광물 시뮬레이션을 위한 힘 장으로는 이팔면체(dioctahedral) 광물을 기반으로 만들어진 ClayFF 힘 장이 보편적으로 사용된다. 삼팔면체(trioctahedral) 광물 시뮬레이션에도ClayFF를 사용하는 연구가 보고되고 있으나, 같은 광물을 계산하더라도 각 연구마다 다른 파라미터값을 사용하고 있기 때문에 파리미터 선택이 시뮬레이션의 정확도에 어떤 영향을 미치는지 체계적인테스트가 필요하다. 이번 연구에서는 삼팔면체 광물인 수활석, 리자다이트, 활석을 대상으로 팔면체마그네슘(Mg)의 원자간 페어 퍼텐셜을 나타내는 파라미터 ‘mgo’와 ‘mgh’를 각각 사용하여 분자동역학 시뮬레이션 계산결과를 비교하였다. 격자상수, 원자 간의 거리 등 삼팔면체 점토광물의 결정구조는주어진 두 가지 파라미터에 관계없이 거의 일정한 결과를 보여주었지만, 진동 파워 스펙트럼(vibrationalpower spectrum)으로 계산한 수산기의 진동수는 파라미터에 따라 상대적으로 뚜렷한 차이를 보였다.

소듐붕규산염 유리의 표면 구조에 대한 분자 동역학 시뮬레이션 연구

권기덕 ( Ki Deok Kwon ),( Louise J. Criscenti ) 한국광물학회 2013 광물과 암석 (J.Miner.Soc.Korea) Vol.26 No.2

핵폐기물을 고화시키는 재료로 사용하는 붕규산염, borosilicate, 유리의 용해는 지충 처분장에 처리된 고준위 방사성 폐기물의 생태적 유출을 결정할 수 있는 중요한 화학반응이다. 습식 실험에서 유리의 용해속도, dissolution rate, 는 유리 화학조성에 의해 크게 좌우되는 것이 관찰된다. 유리의 bulk 구조의 규명한 분광분석 실험에 의하면 유리의 화학조성과 분자수준, molecular-level, 구조, 예: SiO4사면체의 연결구조와 B 원소의 배위구조, 사이의 상관관계가 존재한다. 따라서 화학조성에 따른 유리 용해도의 차이는 조성에 따른 bulk 내부구조의 변화로 이해되어 왔다. 그런데 유리표면은 수용액과 계면을 이루면서 용해과정에서 가장 직접적으로 반응하는 부분이기 때문에, 화학조성에 따른 표면구조 변화에 대한 지식 또한 필요하다. 본 논문에서는 분자 동역학, mo;ocu;ar dynamics, MD, 시뮬레이션을 사용하여 4가지의 다른 화학조성을 가지는 소듐붕규산염 유리, xNA2O.B2O3.ySiO2 화학조성, 에 대하여 bulk구조와 실험으로 얻기 어려운 표면, surface, 구조를 연구하였다. MD 시뮬레이션은 유리표면의 화학조성과 분자수준 구조가 bulk의 것과 매우 상이한 결과를 보여준다. 본 연구의 MD 시뮬레이션 결과는 화학조성에 따른 유리 용해도, 특히 초기 용해과정, 는 bulk구조의 변화보다 유리 표면구조의 변화에 의해 크게 좌우될 수 있다는 표면구조에 대한 이해의 중요성을 역설한다. Borosilicate glass dissolution is an important chemical process that impacts the glass durability as nuclear waste form that may be used for high-level radioactive waste disposal. Experi-ments reported that the glass dissolution rates are strongly dependent on the bulk composition. Because some relationship exists between glass composition and molecular-structure distribution, eg, non-brid-ging oxygen content of SiO4 unit and averaged coordination number of B), the composition-dependent dissolution rates are attributed to the bulk structural changes corresponding to the compesitional variation, We examined Na borosilicate glass structures by performing classical molecular dynamics, MD, simulations for four different chemical compositions, xNa2O.B2O3.ySiO2, Our MD simulations de-monstrate that glass surfaces have significantly different chemical compositions and structures from the bulk glasses. Because glass surfaces forming an interface with solution are most likely the first dissolution-reaction occurring areas, the current MD result simply that composition-dependent glass dissolution behaviors should be understood by surface structural change upon the chemical composition change.

분자동역학 시뮬레이션을 이용한 CNT/에폭시 복합재의 열기계적 거동 예측

최회길 ( Hoikil Choi ),정하나 ( Hana Jung ),유재성 ( Jaesang Yu ),신의섭 ( Euisup Shin ) 한국복합재료학회 2015 Composites research Vol.28 No.5

본 논문에서는 CNT강화 에폭시 복합재의 열기계적 거동을 예측하고 그 경향을 분석하기 위해 분자동역학 시뮬레이션을 이용하여 해석을 수행하였다. 에폭시 내부 CNT의 체적비율을 0~25%까지 총 6개의 모형을 구성하였다. 열적 거동을 보기 위해 300~600 K까지 일정하게 온도를 상승시켰으며, 온도와 비체적 관계를 이용하여 유리전이 온도와 열팽창 계수를 산출하였다. 또한 일정 변형도 하중을 통해 탄성 계수를 산출하여 기계적 거동을 예측하였다. 추가적으로 CNT의 표면처리에 따른 기계적 거동을 분석하였다. 질소 도핑 및 COOH, OH 그룹을 처리한 3개의 모형을 구성하였으며, 각 모형의 탄성 계수 및 경계면 거동에 대한 해석을 수행하였다. 이를 통해 에폭시 내부 CNT의 응집은 열기계적 거동에 교란을 가지고 올 수 있으며, 표면처리는 복합재의 기계적 물성뿐만 아니라 경계면 특성까지도 향상시킬 수 있음을 확인하였다. In this paper, molecular dynamics (MD) simulation was carried to predict thermo-mechanical behaviors for carbon nanotube (CNT) reinforced epoxy composites and to analyze the trends. Total of six models having the volume fractions of CNT from 0 to 25% in epoxy were constructed. To predict thermal behaviors, temperature was increased constantly from 300 to 600 K, and the glass transition temperature (Tg) and coefficient of thermal expansion (CTE) analyzed using the relationship between temperature and specific volume. The elastic moduli that represented to the mechanical behaviors were also predicted by constant strain. Additionally, the effects of functionalization of CNT on mechanical behaviors of composite were analyzed. Models were constructed to represent CNTs functionalized by nitrogen doping and COOH groops, and interfacial behaviors and elastic moduli were analyzed. Results showed that the agglomerations of CNTs in epoxy cause by perturbations of thermo-mechanical behaviors, and the functionalization of CNTs improved the interfacial response as well as mechanical properties.

주기적인 외력에 의한 다체계로의 에너지 전달: 분자동역학을 통해서

김재화 한국물리학회 2013 새물리 Vol.63 No.10

We investigated the energy transfer to a many-particle system by periodic external force acting vertically. This investigation addressed a two-dimensional system by using a molecular dynamics simulation. As expected, we found that the energy of a system with a periodic boundary conditions was not disturbed by a periodic external force. However, the energy of a system with hard-wall fixed boundary conditions converged to different values according to the angular frequencies of the external forces. Especially, an external force with a characteristic angular frequency pushes the system to have a higher energy, and this characteristic angular frequency depends on the density of the system. These results are inferred to have come from the hard-wall boundary itself and from a special interaction between the periodic external force and the hard-wall boundary. 레너드존스 포텐샬의 상호작용을 갖는 2차원 입자계에 대해서수직방향으로 주기적인 외력이 작 용할 때 입자계의 에너지가 어떻게반응하는가를 분자동역학의 방법을 통하여 알아보았다. 주기적 인경계조건을 갖는 경우에는 계의 에너지의 변화가 외력의 진동수에무관하게 일정하게 유지되었 다. 그러나 한쌍의 경계가 단단한 벽으로고정된 경계조건을 가지는 경우에는 경계면의 방향으로 수 직으로 가해진주기적인 외력의 진동수에 따라서 계의 에너지의 변화가 다르게나타났으며 효율적 으로 에너지를 전달하는 진동수가 존재함을 보였다. 그리고 이러한 결과는 단단한 벽의 고정된 경 계조건이 주는 효과와더불어 경계면과 외부에서 가해준 주기적인 힘과의 상호작용에 의한효과가 합해진 결과이며 이 효과는 계의 밀도에 따라 달라짐을 보았다.

분자동역학 시뮬레이션을 이용한 다이아몬드 나노임프린트 리소그라피에서의 점착에 관한 연구

김광섭(Kwang-Seop Kim),강지훈(Ji-Hoon Kang),김경웅(Kyung-Woong Kim) 한국트라이볼로지학회 2004 한국트라이볼로지학회 학술대회 Vol.39 No.-

In this paper, molecular dynamics simulations are performed to analyze the adhesion between a diamond mould and a copper substrate in diamond nanoimprint lithography. The diamond nanoimprint lithography process is simplified as punch-type nanoindentation. The copper substrates are assumed to monocrystalline and defect free and consist of 22500~80000 atoms depending on their dimension. The diamond moulds consist of 916 or 2414 atoms, which is assumed to be rigid. The consistent results for the maximum normal force and the adhesion force are obtained regardless of the size of substrates and the adhesion hysteresis is shown in all cases. It is found that the friction acting on the sidewalls of the mould affects the adhesion significantly when the mould is released from the substrate.

분자동역학을 이용한 FCC 나노박막의 탄성계수 연구

김원배(Wonbae Kim),조맹효(Maenghyo Cho) 대한기계학회 2008 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2008 No.11

In this paper, elastic properties such as Young’s modulus and Poisson’s ratio of various transition metal nanofilms are calculated for the {100} and {110} surfaces by using molecular dynamics simulation. A new method using 3<SUP>rd</SUP> order elastic constants and least square method is presented for the calculation of elastic constants. We also introduce analytical method of calculating elastic constants for EAM potential and it’s results as the reference value to be compared with the simulation results.

공정인자들이 나노임프린트 리소그래피 공정에 미치는 영향에 대한 분자동역학 연구

강지훈(Ji-Hoon Kang),김광섭(Kwang-Seop Kim),김경웅(Kyung-Woong Kim) 한국트라이볼로지학회 2006 한국트라이볼로지학회 학술대회 Vol.2006 No.6

Molecular dynamics simulations of nanoimprint lithography (NIL) are performed in order to investigate effects of process parameters, such as stamp shape, imprinting temperature and adhesive energy, on nanoimprint lithography process and pattern transfer. The simulation model consists of an amorphous SiO₂ stamp with line pattern, an amorphous poly-(methylmethacrylate) (PMMA) film and an Si substrate under periodic boundary condition in horizontal direction to represent a real NIL process imprinting long line patterns. The pattern transfer behavior and its related phenomena are investigated by analyzing polymer deformation characteristics, stress distribution and imprinting force. In addition, their dependency on the process parameters are also discussed by varying stamp pattern shapes, adhesive energy between stamp and polymer film, and imprinting temperature. Simulation results indicate that triangular pattern has advantages of low imprinting force, small elastic recovery after separation, and low pattern failure. Adhesive energy between surfaces is found to be critical to successful pattern transfer without pattern failure. Finally, high imprinting temperature above glass transition temperature reduces the imprinting force.