무정형 열가소성 고분자의 자유 라디칼 중합 분자동역학 시뮬레이션 알고리즘

정지원,박찬욱,윤군진 한국복합재료학회 2019 Composites research Vol.32 No.3

In this paper, we constructed a molecular dynamics (MD) polymer model of PMMA with 95% of conversion by using dynamic polymerization algorithm of a thermoplastic polymer based on free radical polymerization. In this algorithm, we introduced a united-atom level coarse-grained force field that combines the non-bonded terms from the TraPPE-UA force field and the bonded terms from the PCFF force field to alleviate the computation efforts. The molecular weight distribution and the average molecular weight of the polymer were calculated by investigating each chain generated from the free radical polymerization simulation. The molecular weight of the polymer was controlled by the number of initiator radicals presented in the initial state and molecular weight effect to the density, the glass transition temperature, and the mechanical properties were studied. 본 연구에서 우리는 자유 라디칼 중합에 기반한 열가소성 고분자의 동적 분자동역학 중합 알고리즘을 이용하여 95%의 변환률을 갖는 PMMA의 고분자 모델을 구성하였다. 본 알고리즘에서는 계산 수행에 필요한 시간을 줄이기 위해 PCFF포텐셜 함수의 결합 항들 TraPPE-UA 포텐셜 함수의 비결합 항을 조합한 united-atom level의 coarse-grained 포텐셜 함수를 도입하였다. 자유 라디칼 중합 시뮬레이션을 통해 생성된 각 사슬을 분석하여 고분자의 분자량 분포와 평균 분자량을 계산하였고, 고분자의 분자량은 초기 상태에 존재하는 개시제 라디칼의 수를 이용하여 조절하였으며, 유리전이온도, 기계적 물성에 미치는 분자량의 효과에 대해 연구되었다.

탄소 나노 구조체에 대한 수소 분자의 분자동역학 시뮬레이션

임의순 한국물리학회 2009 새물리 Vol.58 No.6

The properties of carbon nanostructures as a hydrogen storage medium have been investigated. We have calculated the probabilities of adsorption of hydrogen molecules incident upon a single-walled carbon nanotube (SWCNT) by using a molecular-dynamics simulation. Though interactions with carbon atoms of the nanostructures, the hydrogen molecules dissociated and behave as individual atoms. The calculations were performed over a wide range of incident hydrogen kinetic energies (0.1~100 eV). Over the energy range, we studied the dependences of the adsorption probabilities on the kinetic energies of the incident hydrogen molecule, we showed that the maximum and the minimum probabilities were given by H2 incident `following' and `parallel' to the typical target hexagon in a SWCNT. 탄소 나노 구조체들에의 수소 저장 가능성을 분자 동역학 시뮬레이션으로 조사 하였다. 입사 운동 에너지를 갖고 탄소 나노 구조체 표면으로 입사하는 수소 분자는 탄소 원자와의 상호작용에 의하여 두 원자로 해리된 후 독립 원자와 같이 행동한다. 입사하는 수소 분자의 에너지는 0.1 eV로부터 100 eV까지 넓은 영역에서 계산하였다. 수소 저장 확률은 4 eV로부터 30 eV에서 상당히 큰 값을 갖는다. 또한 표적 육각형 면에 수직으로 입사하는 수소 분자는 최대 저장 확률을 보이는 반면, 면에 나란하게 입사하는 수소 분자는 최저 저장 확률을 보인다.

고온가스에 의한 표면부착분자 증발ㆍ제거과정의 분자동역학적 연구

양영준(Youngjoon Yang),이치우(Chiwoo Lee),시바하라 마사히코(Masahiko Shibahara) 한국자동차공학회 2006 한국자동차공학회 춘 추계 학술대회 논문집 Vol.- No.-

The interaction between adherent molecules and gas molecules was modeled in molecular scale and simulated by the molecular dynamics method in order to understand the evaporation and removal processes of adherent molecules on metallic surface using high temperature gas flow. Methanol molecules were chosen as adherent molecules to investigate effects of adhesion quantity and gas molecular collisions because the industrial oil has too complex structures of fatty acid. The effects of adherent quantity, gas temperature and surface temperature for the evaporation rate of adherent molecules and the molecular removal mechanism were investigated and discussed in the present study. Evaporation and removal rates of adherent molecules from metallic surface calculated by the molecular dynamics method showed the similar dependence on surface temperature shown in the experimental results.

좁은 열린 관에 갇힌 자기 회피 고분자의 자유에너지

김국현 ( Kim Cook Hyun ),이승현 ( Lee Seung Hyun ),김주인 ( Kim Ju In ) 공군사관학교 2017 군사과학논집 Vol.68 No.1

분자동역학 전산모사를 이용하여 좁은 관에 속박된 자기 회피 고분자의 자유에너지가 속박의 정도와 밀도에 따라 어떻게 주어지는지 측정하였다. 유한 크기 효과(finite size effect)를 고려한 밀도 □와 양 끝이 열린 원기둥 속박하의 고분자의 자유에너지 F_cyl의 관계는 농축영역(concentrated regime)에서 F_cyl~N□^1.3로서 기존의 이론 분석 F_cyl~N□^1.77과 차이를 보이며, 구형 속박에서의 자유에너지 F_sphere~ N□^1.97과도 다르다. 이 때문에 구형 속박하의 고분자는 원기둥에 속박된 고분자로 환산하여 생각할 경우, 닫힌 원기둥의 경우를 고려해야 한다. We study the free energy of a self-avoiding flexible polymer in an open cylindrical confinement through molecular dynamics simulation. In the concentrated regime, the free energy F_cyl of a flexible polymer in a open narrow cylinder is measured and related to the density □ by F_cyl~ N□^1.3, considering a finite size effect of a monomer in calculation of the density. This result is different from the former theoretical free energy F_cyl~N□^1.77 but also the free energy of a polymer in a spherical confinement F_sphere~ N□^1.97 measured in molecular dynamics simulation. This means a polymer in a sphere in concentrated regime should be mapped to a polymer in a closed cylinder.

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.

분자동역학과 확률회전동역학을 결합한 멀티스케일 모델링 기법 개발

차광호(Kwangho Cha),정영균(Youngkyun Jung) 한국정보과학회 2014 정보과학회 컴퓨팅의 실제 논문지 Vol.20 No.10

멀티스케일 모델링은 시공간적으로 서로 다른 규모의 시스템을 다룰 수 있는 시뮬레이션 기법이다. 본 연구에서는 멀티스케일 모델링 연구의 일환으로 서로 다른 시뮬레이션 기법인 분자동역학과 확률회전동역학을 결합할 수 있는 방법을 제안한다. 분자동역학 프로그램 중 잘 알려진 오픈 소스인 LAMMPS를 기반으로 멀티스케일링 모델링을 구현하였으며 LAMMPS에서 정의한 제3자를 위한 표준 확장 방법을 따랐다. 제안된 방법에서는 확률회전동역학 모델을 기본으로 경계 영역은 분자동역학으로 해석가능하게 하였고 심리스한 해석을 보장하기 위하여 중첩 영역과 정보 교환 영역을 함께 구현하였다. 예비실험을 수행한 결과, 제안된 멀티스케일 방법론이 기존 분자동역학 시뮬레이션 결과와 일치된 해석 결과를 보여주었으며 실행 시간 또한 단축시킬 수 있음을 확인하였다. Multiscale modeling is a new simulation approach which can manage different spatial and temporal scales of system. In this study, as part of multiscale modeling research, we propose the way of combining two different simulation methods, molecular dynamics(MD) and stochastic rotation dynamics(SRD). Our conceptual implementations are based on LAMMPS, one of the well known molecular dynamics programs. Our prototype of multiscale modeling follows the form of the third party implementation of LAMMPS. It added MD to SRD in order to simulate the boundary area of the simulation box. Because it is important to guarantee the seamless simulation, we also designed the overlap zones and communication zones. The preliminary experimental results showed that our proposed scheme is properly worked out and the execution time is also reduced.

나노 채널에서의 흐름 연구 방법 : LAMMPS 분자 동역학 package 이용

김상락,정영균 한국물리학회 2008 새물리 Vol.56 No.6

먼저 분자동역학 시늉 방법을 간단히 소개한다. 분자동역학을 통해 얻은 나노 규모의 채널 안에 갇혀 있는 단순 유체 및 고분자 유체의 흐름 특성에 대한 연구 결과를 살펴본다. 나노세계에서의 흐름은 거시세계에서와는 달리 계면이나 벽면과의 상호작용이 커서 이의 영향이 단순 유체 및 고분자 유체의 거동에 상당히 큰 영향을 준다. 이러한 나노 채널에서의 흐름 현상을 보다 생산적으로 탐구하기 위한 방법으로 LAMMPS 분자동역학 package를 소개하고 이를 어떻게 활용할 수 있을 것인지를 제안한다. We briefly introduce a molecular dynamics simulation technique and report some simulation results for fluid and polymer chain flows confined inside a nanoscale channel. Compared with a macroscopic system, the behaviors of the fluid and the polymer chain in the nano/micro scale channel are strongly affected by the wall/interface properties. We also propose and describe a method to study nano channel flow by using the LAMMPS molecular dynamics package.

고분자가 긴 원통 속에 속박되어 있는 경우에 용매 입자를 명시적으로 고려한 동역학

김주인 ( Kim Juin ) 공군사관학교 2022 군사과학논집 Vol.73 No.2

긴 원통 속에 속박되어 있는 고분자가 이완하는 경우의 동역학을 분자동역학을 통하여 연구하였다. 분자동역학 전산모사에서 고분자는 모노머의 크기가 α인 구슬-용수철 모형으로 구현하였으며, 명시적으로 용매 입자를 포함하여 유체상호작용을 고려하였다. 그 결과, 원통의 지름이 D ≤ 8α 인 강한 속박하에서 평형 근처의 이완 시간은 T_R ∼D ^{- 0.7}, 고분자가 받는 마찰력은 ξ_chain ∼D ^{- 1.6} 과 같이 변하는 것을 알아내었다. 이와 같은 결과는 블랍 스케일링 이론의 결과인 T_R ∼ D ^{- 1/3}, ξ_chain ∼ D ^{- 2/3} 과 비교하여 D에 대한 더 큰 의존성을 보이는 것을 확인하였다. We study the relaxation dynamics of a linear self-avoiding polymer in a cylindrical pore using molecular dynamics simulations. In our simulations, bead-spring model is employed for the polymer and hydrodynamic interactions are considered through including explicit solvent particles. We find that the relaxation time scales as T_R ∼D ^{- 0.7} and the chain friction scales as ξ_chain ∼D ^{- 1.6} near the equilibrium under strong confinement of D ≤ 8α, where α is monomer size. This simulation result is constrast to the predictions of the blob scaling theory, T_R ∼ D ^{- 1/3} and ξ_chain ∼ D ^{- 2/3}, with larger D -dependency.

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.