2013년 노벨화학상은 전통 화학자가 아닌 계산 화학자 3명에게 돌아갔다. 이들은 실험실이 아닌 컴퓨터를 이용해 복잡한 화학반응을 시뮬레이션으로 분석하는 연구법을 개발하였고, 이들의 공로가 화학 발전에 기여하였음이 인정되었다. 과학계에서 가장 권위 있는 상으로 인식되는 노벨상 수상에서 보듯, 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 연구는 실제 실험만큼 중요해지고 있다. 하지만 이런 컴퓨터 시뮬레이션은 만개 이하의 원자로 구성된 작은 물질에만 사용할 수 있기 때문에 주로 무기물이나 작은 유기물 소재 연구에만 사용되었다.

이러한 한계를 극복하고, 수백만 개의 원자로 이루어진 유기물과 무기물 합성소재 연구에 컴퓨터 시뮬레이션을 활용한 연구팀이 있어 화제가 되고 있다. 시뮬레이션을 이용한 예측은 실제 실험 결과와 놀랍도록 유사함을 보여주었다.

한국과학기술연구원(KIST) 다원물질융합연구소(소장 이광렬) 계산과학연구단 허가현 박사와 미국 코넬대(Cornell) 재료공학과 Ulrich Wiesner(비즈너) 교수는 저비용으로 새로운 나노소재 제조방법을 개발하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 개발했다. 프로그램은 소재의 구조를 빠르고 정확하게 예측했고, 실험으로는 알기 어려운 구조 형성의 원리를 밝혔다. 연구팀은 이렇게 밝혀진 소재 제작 방법을 실제 실험으로 구현한 결과 새로운 형태의 나노입자 기반 소재를 만들 수 있었다.

본 연구는 국제학술지인 ‘Nature Communications’ 2월 21일자에 게재되었다. (논문명 : Linking experiment and theory for three-dimensional networked binary metal nanoparticle？triblock terpolymer superstructures)

자연계의 많은 물질들은 외부의 특별한 도움이나 간섭 없이 스스로 구조를 만든다. 예를 들어 우리 몸을 구성하고 있는 단백질은 긴 실과 같은 형태의 분자로 나일론이나 폴리에스터와 같은 고분자의 일종이지만 스스로 조립하여 다양한 구조를 만들고 단백질의 역할을 하게 된다. 이러한 현상을 자기조립 (Self-Assembly)이라고 하는데, 이는 지구상의 생명체가 존재하고 살아갈 수 있게 하는 기본 원리라고 할 수 있다. 과학자들은 새로운 소재를 개발하기 위해 위에 언급한 분자들의 자기조립 특성을 이용하고 있다.

연구진은 물을 좋아하는 특성을 지닌 부분과 물을 싫어하는 특성을 지닌 부분이 공존하는 고분자(블록 공중합체)에 나노크기의 금속입자를 섞어 자기조립을 통해 새로운 나노소재를 만드는 연구를 시뮬레이션했다. 이러한 자기조립 과정은 분자간의 매우 복잡한 물리화학적 작용을 하면서 새로운 구조를 형성한다. 기존의 실험은 여러 실험 조건들을 많은 시행착오를 거쳐 찾아 내야하기 때문에 오랜 시간과 노동력이 요구된다. 연구진이 개발한 컴퓨터 시뮬레이션 방법은 소재의 구조를 컴퓨터 계산을 통해 빠르고 정확하게 예측했다. 그리고 실험으로는 알아내기 어려운 구조의 구성 원리가 무엇인지를 밝혀냈다. 이는 기존 실험으로는 30일 이상 걸리는 작업을 수분 만에 구현한 것으로 소재개발 비용을 수백 배로 줄인 효과를 거둔 셈이다. 컴퓨터는 더 나아가 새로운 형태의 나노 소재를 만드는 방법을 제시하였다. 연구팀은 제시된 방법을 이용하여 실험에 착수했고, 새로운 소재를 성공적으로 만들어 냈다. 만들어진 소재는 매우 넓은 표면 면적을 지닌 다공성 금속소재로 우수한 촉매특성과 높은 전기전도도를 가지고 있다.

이러한 자기조립 기반의 나노소재 제조방식은 향후 촉매 개발 및 다양한 전자소재로 이용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 저온 공정을 기본으로 한 제작방법을 활용하여 향후 3D 프린팅과의 결합이 용이할 것이고 이를 통한 혁신적인 다층소재 개발에도 유용하게 쓰일 전망이다.

본 연구는 미국의 ‘The Materials Genome Initiative’나 현재 미래창조과학부에서 기획 중인 ‘창의소재 디스커버리 사업’과 같은, 실험과 컴퓨터 시뮬레이션의 협력 연구를 통해 기존 연구의 한계를 돌파하고자하는, 대형 프로젝트들의 연장선에 있는 연구로 미래 연구의 방향을 제시했다는 점에서 의미를 가질 수 있다.

<그림1>

<그림2/동영상>

컴퓨터시뮬레이션 과정에 따라 변화되는 나노소재의 모습을 시간에 따라 보여주고 있다. 본 그림에 사용된 컴퓨터는 가정용컴퓨터 수준이며 약 36분정도면 구조를 예측할 수 있다. 동일한 과정을 실험으로 수행 하려면 약 한달 정도의 시간 소요된다.

<그림3>

Experiment(실험)과 Simulation(컴퓨터 시뮬레이션)의 나노입자 분포를 정량적으로 비교해보면 놀라운 정확도를 보여주고 있다.