multiscale-cmse

1. Molecular dynamics – Self-assembling of nanotube and nanohelix

그림은 Si와 Ge로 이루어진 2중 나노필름이 자발적으로 구부러지면서 나노튜브를 형성하는 장면을 분자동역학 전산모사 기법으로 관찰한 것이다.
여기서 분자동력학은 각 원자의 움직임에 대해 F=ma=-∇V 라는 운동미분 방정식을 수치 해석적 방법으로 적분함으로써 시간에 따른 원자들의 궤적을 예측해 내는 과정에 불과하다.
실제 소재의 거동에 영향을 미치는 것은 원자 하나하나에 작용하는 힘(F)이며, 이는 원자 간의 상호작용 에너지 (potential energy, V)의 거리에 따른 기울기로 얻어진다.
따라서 분자동역학과 같은 원자 단위 시뮬레이션의 신뢰성에 결정적인 영향을 미치는 요인은 interatomic potential model이 실제 원자 간의 상호작용을 얼마나 실제에 가깝게 기술해 내느냐 하는 부분이라 하겠다.

2. Interatomic potential model

현재 본 연구실에서는 second nearest-neighbor (2NN) modified embedded atom method(MEAM) potential model을 통해 다양한 금속 소재에 대한 database를 확보하고 있다.
이에 더 나아가 현재는 공유 결합이나 이온 결합 특성을 구현 할 수 있는 potential로 확장해 나가고 있다.
옆에 영상은 Ti wire 표면에 산소가 어떻게 붙는지 분자동력학 시뮬레이션으로 관찰한 것이다.
본 연구실은 금속과 이온 결합 특성을 구현할 수 있는 2NN MEAM + Qeq model 을 확보한 상황이며, 이에 대한 database를 현재 구축하고 있는 상황이다. 아울러 공유 결합까지 아우름으로써 금속 , 이온, 유기물 간의 반응을 표현 할 수 있는 potential model을 개발할 예정이다.

3. Monte Carlo method

각 원자의 움직임을 실시간으로 예측이 가능한 분자동역학은 dynamics를 관찰 할 수 있다는 장점이 있는 반면, 관찰 시간이 nanosecond 에 불과하다는 한계도 가지고 있다.
이러한 한계로 인해서 수 seconds 또한 hours에 걸쳐서 일어나는 소재 현상을 분자동역학을 이용하여 관찰하는 것은 불가능하다.
예를 들면 옆 그림은 In1-xGaxN으로 나타낼 수 있는 3원 질화물계의 원자구조를 나타내었는데, 이 물질계에서는 In-rich한 질화물과 Ga-rich한 질화물로의 상분리가 발생한다고 알려져 있다.
이러한 상 분리는 In, Ga 원자들의 확산에 의해서 일어나는데 분자동역학을 통해 이들 원자의 확산과 상 분리를 관찰하는 것은 불가능에 가까울 정도로 많은 시간을 소요하게 될 것이다.
이때 임의로 두 원자를 선택해 자리를 바꾸고 에너지의 변화를 고려하면서 주어진 조건에서 가장 확률이 높은 상태(평형상태)의 원자 구조가 나타나도록 유도하는 기법이 Monte Carlo 시뮬레이션이다.

4. Summary

분자 동역학, Monte Carlo 시뮬레이션으로 구불될 수 있는 Large-scale atomistic simulation 기법은 액상, 비정질, 고상 소재에서 점성, 열전달 등 이동 특성, 고상 소재에서 원자공공, 침입형 원자 등 점결함, 전위 등 선결함, 입계, 적층결함 등 면결합을 포함하는 결함 특성, 표면 특성, 파괴 특성 등 다양한 원자 단위의 소재 특성을 분석, 예측하는 데 활용되고 있다.
이렇게 얻어진 원자 단위의 소재 특성은 소재 현상을 이해하는 데 활용될 뿐만 아니라 더 큰 스케일의 시뮬레이션 기법과 연결되어 다양한 스케일에서 소재 특성을 분석하고 예측하는데 활용 될 수 있다.