사진1. 좌로부터 심은지 교수, 송수환 박사, 김영삼 박사과정 학생, 유하영 석사과정 학생

심은지 교수팀, 수용액 상에서 분자의 양자 정보를 정확하게 기술하는 새로운 계산화학 이론 개발

물과 다양한 유기 분자의 상호작용을 화학적 정확도 수준 이상으로 예측하는 새로운 밀도범함수 이론 개발
세계적인 학술지 ‘Nature Communications (IF 17.69)’ 게재

분자의 성질은 분자 내 전자 분포를 포함하는 양자 정보에 따라 결정된다. 전자가 분자 내에서 어떻게 분포되어 있으며 그에 따라 에너지가 어떻게 결정되는지를 예측하는 양자 계산 방법 중 대표적인 것은 밀도범함수 이론이다. 밀도범함수 이론에서는 에너지나 기타 성질들을 전자 밀도에 대한 식으로 표현하여 계산하는데, 이 식이 아직 정확하게 밝혀져 있지 않아 다양한 방식으로 근사하여 사용한다. 밀도범함수 이론은 준수한 정확도에 적당한 계산량이라는 강점으로 화학이나 물리학 같은 기초 과학뿐 아니라 생명 과학, 재료 과학 등의 다양한 응용 분야에서도 활용되고 있다.

그림 1. 다양한 화학반응에 대한 HF-r2SCAN-DC4 계산법의 성능

기존 밀도범함수 이론으로 정확하게 표현하지 못하는 물질 가운데 대표적인 것이 물이다. 물은 다른 물질과 비교되는 특이한 성질을 가지며, 소재에서부터 생명에 이르기까지 광범위한 분야에서 핵심적인 역할을 한다. 따라서 물을 정확하게 양자 수준에서 기술하고 더 나아가 그 구조와 동역학을 전산모사 하는 것은 매우 중요하다. 높은 수준의 양자 계산 방법으로 정확한 기술이 가능한 경우에도, 전산모사의 규모에 따라 계산 비용이 기하급수적으로 증가하여 실용성이 낮다. 따라서 계산량이 비교적 적은 밀도범함수 이론으로 물을 정확하게 기술하려는 연구가 활발하게 시도되고 있다.

이과대학 화학과 심은지 교수 연구팀은 밀도범함수 계산에서 전자 밀도에 의한 오류를 줄여 정확도를 획기적으로 높이는 밀도보정-밀도범함수 이론을 개발한 바 있으며, 최근 연구 범위를 확장하여 물의 다양한 성질을 정확하게 기술하는 계산법을 개발하였다. 이 계산법은 비슷한 계산량의 다른 근사법들과 비교했을 때 가장 정확하게 물의 양자 정보를 기술할 뿐만 아니라, 분자 간의 약한 상호작용까지 포착해낼 수 있어 생체분자의 전산모사에 적합하므로 그 성능이 매우 기대된다.

본 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업 및 기초연구실사업으로 수행되었고, 그 결과를 세계적인 다학제 학술지 Nature Communications(SCI Impact Factor:17.69)에 게재하였다.