이여산 | 한국과학영재학교, yeosanksa@ksa.kaist.ac.kr
서론
화학을 나름 정의해 보자면 물질의 성질 및 변화를 분자 및 원자 스케일에서 탐구하는 학문이라고 할 수 있을 것 같 다. 많은 학문들과 마찬가지로 화학 또한 이론과 실험, 두 갈 래로 보다 자세히 나눌 수 있으며, 물질을 보는 관점과 시스 템에 따라 보다 더 다양한 세부 분야로 나눌 수 있다. 단적 인 예로 깊은 역사를 자랑하는 물리화학, 유기과학, 무기화 학, 생화학, 분석화학 등을 들 수 있고, 최근에 각광받고 있 는 재료화학, 나노화학, 광화학, 전기화학, 촉매화학, 고분 자화학, 계산화학 등 또한 이야기할 수 있다. 이러하듯 화학 이라는 넓은 개념 아래에는 매우 다양한 분야들이 존재하고 빠른 속도로 발전을 이루어 나가고 있다. 이러한 상황에서 화학 세부 분야들의 존재 여부와 기초적으로 어떤 내용들을 다루는지에 대한 설명은 현재 화학 분야 고등교육에서 중요 한 이슈로 자리 잡고 있다. 특히 많은 학생들의 화학에 대한 관심을 이끌어 내어, 다양한 분야의 미래 화학자로 키울 수 있다는 점에서 그 중요성이 더욱 부각되고 있다.
그러나 현재 고등학교 및 대학교 초기 교육과정에서 화
학교육은 수학적 계산이 필요한 내용들로 지나치게 많이 할당되어 있다고 보인다. 필자는 KAIST 부설 한국과학영 재학교에서 화학 기초 교과를 가르치면서 학생들에게‘화 학을 배우는 것인지, 수학 계산을 배우는 것인지 잘 모르 겠다’라는 이야기를 듣고 많은 반성을 한 바 있다. 그도 그 럴 것이, 다양한 고등학교 화학 교재 및 대학교 수준의 일 반화학 교재들을 보면 원자론, 화학결합론, 양자역학, 고 체/액체/기체 화학, 열역학, 반응 속도론, 전기화학 등의 내용들로 구성되어 있다. 반면에 유기/무기/생/분석/촉매/나노/계산 등 다른 분야에 대한 내용은 상당히 빈약하거 나, 교재에 포함되어 있지 않은 경우가 많다. 물론 현재 해 당 학생들이 배우는 물리화학적 내용들이 추후 배우게 되 는 다양한 과목들의 기초가 되는 것에 대해서는 이견이 없 을 것으로 생각된다. 그러나 초반 화학 교육 분야가 지나 치게 편중되어 있다 보니, 다른 분야에 관심이 있는 예비 화학인들이 그 열정을 잃게될까 많은 걱정이 들고 있다.
이에 본 에세이에서는 고등학교 및 대학교 초기 단계에 서 화학의 다양한 분야에 대한 지식과 경험에 대한 중요 성을 강조하고자 한다. 그 일환으로 필자의 경험을 비추 어 유기/무기화학에서 계산화학적 분석에 대하여 경험론 적인 관점으로 간략한 소개를 하고자 한다. 최근 컴퓨터 공학이 빠른 속도로 발전하고 있고, 학문 간 융합이 점점 더 중요해지고 있으며, 이론과 실험이 큰 시너지 효과를 내고 있다는 점을 볼 때 계산화학적 연구는 앞으로 더욱 중요한 분야가 될 것으로 판단된다. 동시에 고등학생, 또 는 대학교 학부 과정 학생들이 계산화학적 다양한 경험을 통해서 다른 여럿 화학 분야에 대한 관심을 가질 수 있다 고 생각된다. 추가적으로 본 KAIST 부설 한국과학영재 학교에서 진행하였던 계산화학 프로젝트 예시를 언급하 며 학생들의 위치에서 주도적으로 진행할 수 있는 활동들 에 대해서 이야기하고자 한다.
본론
1. 유기/무기화학 분야에서 계산화학의 역할
지난 수십 년간 양자역학 및 컴퓨터 연산 능력의 발전은 계산화학 분야를 비약적으로 발전시켰다. 특히 현대 화학에서 실험적 성향이 강한 유기 및 무기화학 연구에 자세한 이론적 설명을 가능하게 하여 실험과 이론의 융 합의 시너지를 이루어내는 데 앞장서고 있다. 계산화학 에는 분석 하고자 하는 시스템에 따른 다양한 방법론이 존재하는데, 현재 유기/무기화학 연구에서 주로 사용되 는 방법 중 하나로 밀도범함수 이론(Density Func- tional Theory, DFT)를 들 수 있다.
DFT는 물질의 양자화학적 해석 뿐만 아니라 유기/무 기화학 반응에 대해서도 에너지적 관점의 설명을 할 수 있다. 이에 유기/무기화학 연구에서 다양한 이론적인 뒷 받침과 반응 메커니즘에 대한 이해를 제공하는 데 자주 사용되고 있다. DFT를 통해서 할 수 있는 이론화학적 분 석의 예시를 보다 자세히 들면 (1) 3차원 분자 구조 분석,
(2) 분자 오비탈(Molecular Orbital)분석, (3)자연 결합 오비탈(Natural Bond Orbital) 분석, (4) 기체 및 용액 상태에서 반응 에너지 프로파일 계산, (5) 분광학(예시:적외선흡수분광법, 자외선-가시광선 분광법, 핵자기공명 분광분석법) 데이터 예측 등이 있다[그림 1]. 한 마디로 유기/무기화학 분야에서 수행하는 신물질 및 새로운 반 응론 개발, 유기/무기 촉매 합성 및 응용, 화학 반응에서 선택성(예시: 화학선택성, 구조선택성, 입체선택성, 부분 입체선택성) 조절 등의 연구에서 매우 많은 설명을 가능 하게 한다. 이러한 장점은 많은 실험 화학 연구팀에서 계 산화학 이론 연구팀과 공동연구를 촉진 시켰으며, 더 나 아가 자체적인 계산화학 연구를 진행하도록 하는 결과를 낳게 되었다.
현시점 유기/무기화학 연구 분야에서 계산화학은 아쉽 게도 실험 결과를 보조하는 역할로 등장하는 경우가 많 다. 그 이유 중 하나로 양자화학적 근사 방법과 연관이 깊 은 프리셋인 functional, basis set, pseudopotential 등 에 따라서 계산 결과가 차이를 보이는 점을 들 수 있 다. 계산화학 연구에서는 위 근사로 인해 계산의 정확도 와 컴퓨터 연산 능력이 서로 상충되는 위치에 있다. 따라서 계산 결과의 정확도와 계산 시간 사이에서 최적점을 찾아야 하는 문제점을 가지고 있다. 그러나 현재 경험론 적으로 특정 화학 반응 및 분자 시스템을 잘 설명하는 계 산 조건들이 계속 보고되고 있으며, 또 보다 더 효율적인 프리셋 개발도 활발히 진행되고 있다. 추후에는 계산화 학으로 반응을 디자인 및 예측하고 실험으로 역 증명하 는 연구가 활발히 진행될 것으로 예상된다.
2. 유기/무기화학 분야에서 간단한 계산화학 방법론
학생들의 본격적인 연구 활동이 일반적으로 대학원에 진학 후 이루어진다는 점에서 고등학교 및 대학교 초기 단계에서 계산화학 교육은 기본적인 이론에 대한 이해와 계산 프로토콜 숙달이 가장 중요하다고 보인다. 일반화 학 및 양자화학 일부를 배우게 되면 기본적인 개념을 얻 을 수 있다고 생각된다. 그러나 다양한 명령어와 프로그 램을 사용하여 실제로 계산을 수행하는 과정은 쉽게 경 험하기 어렵다. 특히 이는 다양한 경험과 시행착오를 바 탕으로 얻을 수 있기에 더욱 그렇다.
가장 먼저 계산화학을 수행하기 전에 보안 셸(Secure Shell, SSH)을 사용한 클러스터 원격 접속 및 간단한 리 눅스 명령어에 대해서 익숙해 질 필요가 있다[그림 2]. 이 는 계산화학을 수행하기 위해 간편하고 가벼운 운영체제 로 잘 알려진 리눅스 클러스터를 사용할 가능성이 높기 때문이다. 특히 원격으로 접속하여 파일을 송수신할 수 있고, 리눅스 명령어를 사용하여 입력 파일을 실행시킬 수 있다면 많은 수의 계산을 신속하고 효율 높게 수행할 수 있다. 이때 IP 주소 및 포트를 사용하여 클러스터 접 속, 리눅스 환경에서 디렉토리 변경, 파일 수정 권한 변 경, 실행 파일 작성 및 실행 명령 등을 중점적으로 학생 들에게 숙달시킬 필요가 있다고 보인다.
리눅스 원격 조종이 익숙해졌다면 이제 본격적으로 계 산화학 프로그램 사용법을 익힐 때가 되었다. 프로그램 의 종류는 다양한데, 많은 연구실에서는 Gaussian 프로 그램을 사용하기에 본 에세이에서도 이를 기반하여 작성 하겠다. Gaussian 프로그램 실행에 앞서 가장 먼저 해 야 하는 것은 계산 입력 파일을 작성하는 방법이다[그림 3]. 입력 파일은 크게 (1)계산에 사용할 근사 방법인 functional과 basis set에 대한 설정, (2)계산 목표, 그 리고 마지막으로 분자 또는 전이 상태의 좌표값, 크게 세 가지의 정보로 구성되어 있다.
앞서 이야기한 바와 같이 (1)의 경우 계산 시스템에 따 라 경험론적으로 가장 효율적인 functional 과 basis set이 보고되고 있다. 따라서 학생들이 계산하고자 하는 시스템과 유사한 결과들을 확인하고, 해당 논문에 보고 된 functional과 basis set을 채용하여 시작하는 것을 권장한다. 만약 최종적으로 얻은 실험 결과가 실험 데이 터를 뒷받침하지 못한다면 functional 및 basis set을 변경하는 것도 하나의 옵션이 될 수 있다.
두 번째로 입력 파일에 어떠한 형태의 계산을 할 것인 지 목표를 설정해야 한다. 유기/무기화학 분야에서 물질 성질 예측 및 반응 메커니즘 설명을 위해 주로 수행하는 계산 목표는 다음과 같다.
구조 최적화(opt) : 입력해 준 분자 및 전이 상태 좌 표를 가장 안정한 형태로 최적화함.
전이 상태 계산(ts, calcfc) : 전이 상태에 대해서 구 조 최적화를 함. 이때 첫 좌표의 힘상수를 사용함.
진동수 및 열역학 계산(freq) : 분자의 진동 모드, 진 동수, 전자 에너지, 엔트로피, 깁스 자유 에너지 등을 계산함.
용매 효과 계산(scrf) : 용질이 용매로 둘러쌓인 상황 에 대하여 계산함.
분광학 데이터 예측(TD, nmr) : 자외선-가시광선 분광학, 핵자기공명분광분석법 등에 대한 분광학 데 이터를 예측함.
분자오비탈 표면 그래픽화(cubegen) : 분자 및 전이 상태의 분자오비탈들을 3차원 그래픽으로 시각화함.
자연 결합 오비탈 및 전하(NBO) : 일부분 편재화 된 자연 결합 오비탈을 얻을 수 있음. 또한 그 과정에 서 자연 결합 오비탈 전하를 얻어 각 원자들의 전하 값들을 알 수 있음.
일반적으로 입력 좌표를 최적화시켜 가장 안전한 구조 의 분자 및 전이 상태를 얻는 과정을 가장 먼저 수행한다. 이후 최적화된 좌표를 이용하여 이외의 다양한 계산 목 표를 수행할 수 있다.
세 번째로 분자 및 전이 상태 초기 좌표, 전체 전하, 그 리고 스핀 다중도 상태에 대해서 입력한다. 계산하고자 하는 구조는 GaussView, Chem3D 등의 프로그램을 이 용하여 원자들의 좌표값을 얻을 수 있으며, 경우에 따라서 간단한 에너지 최소화 방법을 애벌 할 수 있다. 대부 분의 계산은 구조 최적화(opt)로부터 시작하는데, 이때 분자, 또는 전이 상태의 구조를 화학적으로 최대한 합리 적으로 만들어야 한다. 특히 전이 상태 계산에서 상당수 의 경우 에러의 원인이 입력 좌표가 적절하지 않아서 생 기는 점을 강조하고 싶다. 이 외에 분자 전체의 전하값과 예상되는 스핀 다중도 값을 기입하면 프로그램을 가동할 수 있는 입력 파일이 모두 완성된다.
리눅스 클러스터에 입력 파일을 실행시키게 되면 계산 화학적 프로세스가 진행되며, 출력 파일이 나오게 된다. 마지막으로 이 출력 파일을 분석하고, 계산 목적에 맞는 값들을 추출하는 과정이 필요하다. 이때 다양한 형태의 에러가 나올 것이며, 에러의 원인이 무엇인지 분석하는 과정도 꼭 진행되어야 한다. 많은 경우 입력 파일에서 명 령어 오류와 초기 분자 및 전이 상태 구조가 오류의 원인 이 되는데, 이에 대한 분석과 수정 방법에 대한 시행착오 가 수반되어야 한다. 정상적으로 완료된 계산의 경우 GaussView 프로그램뿐만 아니라 메모장에서 나오는 비 정제 데이터도 확인하는 방법을 배우면 원하는 결과값을 쉽고 효율적으로 추출해 낼 수 있을 것으로 생각한다.
3. KAIST 부설 한국과학영재학교에서 진행된 계산화학 교육 예시
본교 화학 과목에서는 학생들이 Gaussian 및 Gauss View 프로그램을 사용하여 본인이 궁금해하는 화학 현 상을 계산화학적으로 분석하는 프로젝트를 수행하고 있 다. 필자는 이번 학기에 몇몇의 팀에게 위 내용들에 대해 서 설명하고 도움을 줄 수 있는 기회가 있었다. 그중 한 팀의 예시로 dinitrogen difluorid (N2F2) 분자에 대해 서 왜 cis-이성질체가 trans-이성질체보다 안정한 지 계산화학적으로 설명한 바 있다[그림 4].
해당 팀원들이 던진 질문은 일반적으로 입체장애로 인 해서 cis-이성질체가 trans-이성질체보다 불안정한 경 우가 많은데, 이 N2F2 분자의 경우 반대의 안정도를 가지 는 이유가 무엇인가였다. 이에 팀은 분자를 최적화(opt) 하였으며, NBO 분석을 통해 분자 내에 NBO 사이의 상 호작용을 보고자 하였다. 그 과정에서 3차원 공간에서 여러 NBO가 어떠한 모양과 방향을 가지고 있는지 확인하 였고, 위상이 맞는 오비탈들 사이의 안정화 정도를 sec- ond order perturbation theory를 통해 확인할 수 있 었다. 이러한 요인을 분석한 결과 실제로 cis-이성질체 가 trans-이성질체에 비해서 계산화학적으로 안정하다 는 것을 확인하였고, 무엇보다 왜 안정한지 명확한 이유 를 제시할 수 있게 되었다. 본 프로젝트는 분자의 크기가 그렇게 크지 않기 때문에 오랜 계산 시간이 필요하지 않 을뿐더러, 앞서 언급한 다양한 계산화학적 분석 목표를 다룰 수 있기에 교육적으로 좋은 예시로 생각된다.
결론
본 에세이에서는 고등학생 및 대학교 학부 과정 학생들 의 화학에 대한 관심을 높이기 위해 여러 분야에 대한 경 험을 강조하고자 하며, 그 예시로 계산화학의 중요성과 방법론적 설명들을 간단히 요약하였다. 특히 계산화학이 다양한 분야와 융합이 가능하고, 미래 본인들이 진행할 연구 분야에 큰 시너지를 낼 수 있다는 점을 볼 때 학생들에게 큰 도움이 될 것으로 생각된다. 이러한 점에서 현 재 KAIST 부설 한국과학영재학교에서는 학생들이 주도 하는 계산화학 프로젝트가 진행되었으며, 그중 한 팀의 예시를 간략하게 소개하였다.
근 미래에 화학의 다양한 분야에 대한 교육이 강화되었 을 때 계산 화학은 큰 비중을 차지할 수 있을 것으로 생 각된다. 해당 분야가 고등학생 및 대학교 학부 과정 학생 들도 충분히 배우고 경험할 수 있다고 판단되는 바, 현재 교육적으로 가장 필요한 것은 누구나 보고 따라 할 수 있 는 매뉴얼 자료라고 생각된다. 처음 프로그램을 다루는 학생들도 매뉴얼대로 따라 하면서 많은 연습을 할 수 있 는 가이드가 필요하다고 보인다. 또한 다양한 시행착오 에 대해서 문제 및 해결법이 정리된 자료집이 있을 때, 학 생들이 막히지 않고 스스로 문제를 해결해 내는 능력 또 한 키울 수 있을 것으로 생각된다. 이를 통해 많은 학생 들이 화학을 처음 배우기 시작하는 즈음에 보다 더 화학 에 큰 관심을 가지고 다양한 경험을 스스로 찾아 나설 수 있게 될 것으로 기대한다.
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이 여 산 Yeosan Lee
• KAIST 부설 한국과학영재학교 졸업(2010.2 - 2013.2)
• 포항공과대학교 학사(2013.3 - 2016.8)
• 포항공과대학교 화학과, 박사(2016.9 - 2021.8, 지도교수 : 조승환)
• 포항공과대학교 화학과, 박사 후 연구원(2021.10 - 2022.9, 지도교수 : 조승환)
• Cornell University, Department of Chemistry and Chemical Biology, Postdoctoral Associate(2022.10- 2023.7, 지도교수 : Prof. Song Lin)
• KAIST 부설 한국과학영재학교 화학생물학부 전임교원(2023.12 - 현재)
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