총설에부쳐: 연성 물질 속 분자 움직임에 대한 분자동역학 시뮬레이션(2026년 7월호)

조현우 | 서울과학기술대학교 정밀화학과, 부교수

chohw2000@seoultech.ac.kr

화학은 물질을 다루는 학문으로, 물질이 갖는 화학적·물리적 특성과 그것이 일으키는 변화, 그리고 그 변화에 수반되는 에너지의 출입을 이해하는 것을 목표로 한다. 이러한 물질의 특성을 이해하기 위해 우리는 종종 하나의 분자가 가지는 미시적인 구조와 성질에 주목한다. 그러나 실제로 실험에서 다루는 대부분의 시스템은 단일 분자가 아닌, 다수의 분자들이 모여 이루는 열역학적 계에 해당한다. 특히 용액, 나노입자의 집합, 고분자 및 생체 분자와 같은 시스템은 잘 정렬된 결정 구조보다는 비결정적이고 유연한 특성을 가지는 연성 물질(soft matter)에 속하는 경우가 많다. 따라서 분자적 수준에서의 상호작용이 만들어내는 구조적 및 동역학적 특성이 거시적 연성 시스템의 물성으로 어떻게 발현되는지를 이해하는 것은 물리화학에서 매우 중요한 문제이다.

연성 물질에서 나타나는 거시적 물성의 기원을 분자 수준에서 이해하기 위해, 개개의 분자가 가지는 전자 구조와 상호작용을 양자역학 기반 계산을 통해 분석하는 것은 중요한 출발점이다. 이러한 접근은 계산 비용의 제약으로 인해 비교적 작은 계나 기체상 환경에 주로 적용되며, 다수의 분자와 용매가 얽힌 응집상 시스템을 정밀하게 다루기에는 길이 및 시간 척도의 한계가 존재한다. 이를 보완하기 위해 전자의 자유도를 효과적으로 단순화하고 원자핵의 운동을 고전역학적으로 기술하는 분자동역학 시뮬레이션이 널리 활용되며, 경우에 따라 코스-그레인드(coarse-grained) 모델을 통해 보다 큰 길이 및 시간 스케일에서의 거동을 다루기도 한다. 이러한 접근은 미시적 상호작용과 구조를 통계역학적으로 해석하여 거시적 물성으로 연결하는 데 유용하며, 오늘날 연성 물질 기반 재료의 물성 이해와 예측을 위한 핵심적인 시뮬레이션 방법론으로 자리잡고 있다.

이러한 배경에서, 본 읽기 쉬운 총설 시리즈에서는 서로 다른 응용 분야와 길이 스케일을 대표하는 세 가지 연성 물질 시스템에 주목한다. 전해질에서의 이온 수송, 제한된 환경에서의 고분자 동역학, 그리고 콜로이드 및 나노입자 기반 네트워크에서 나타나는 집단적 거동을 중심으로, 분자 움직임과 물성 간의 연결을 단계적으로 살펴보고자 한다.

첫 번째 총설에서는 에너지 저장 및 변환 소재에서 중요한 전해질 시스템을 대상으로, 진한 전해질에서 나타나는 이온 구조와 전도도를 전하의 시공간 상관관계라는 관점에서 다룬다. 강한 상호작용으로 인해 형성되는 이온 간 구조적 상관은 전도도와 같은 수송 특성을 결정하며, 이는 전해질 물성 제어의 중요한 물리적 기반을 제공한다.

두 번째 총설에서는 바이러스의 전파와 복제 과정과 관련된 디엔에이(deoxyribonucleic acid, DNA)의 포장과 방출 문제를 중심으로, 제한된 환경에서의 고분자 동역학을 다룬다. 이러한 시스템에서는 초기 구조와 비평형 상태가 이후의 동역학에 영향을 미치며, 분자의 이동은 구조와 이력에 의존하는 특징을 보인다.

세 번째 총설에서는 나노 및 콜로이드 입자 시스템에서 나타나는 콜로이드 젤을 대상으로, 네트워크 구조 형성과 물성을 다룬다. 젤화 메커니즘, 네트워크의 강성, 평형 젤의 개념 등을 통해 이러한 시스템의 집단적 동역학과 기계적 특성을 이해할 수 있으며, 이는 기능성 연성 소재 설계와 직접적으로 연결된다.

이와 같이 본 총설 시리즈는 전해질, 생체 고분자 시스템, 그리고 콜로이드 네트워크에 이르기까지 서로 다른 길이 스케일과 응용 분야에서 나타나는 연성 물질의 물성을 통계역학 기반 분자 동역학 시뮬레이션 관점에서 살펴보고자 한다. 물론 이러한 방법론은 본 시리즈에서 다룬 세 가지 시스템에 국한되지 않고, 보다 폭넓은 연성 물질 전반에서 물성의 이해와 예측에 활용되고 있다. 이 과정에서 분자 동역학 시뮬레이션은 모든 현상을 설명하는 단일한 방법론이라기보다는, 양자역학 기반 계산, 최근의 인공지능 기반 접근, 그리고 다양한 실험적 기법들과 함께 상보적으로 활용되어 물질의 특성을 탐구하는 데 중요한 역할을 한다. 이러한 관점에서 본 시리즈는 연성 물질 연구에서 분자 시뮬레이션이 갖는 역할과 의미를 조망하고, 분자적 특성과 거시적 물성 간의 관계를 이해하는 데 있어 그 중요성을 보다 균형 있게 이해하는 데 기여하고자 한다.

조현우 Hyun Woo Cho

• 서강대학교 화학과, 학사(2007.3–2011.2)

• 서강대학교 화학과, 박사(2011.3–2016.8, 지도교수 성봉준)

• 서강대학교 기초과학연구소, 전문연구요원(2016.9–2018.3)

• University of Texas at Austin 화학과, 박사후 연구원(2018.4–2021.2, 지도교수 Dave Thirumalai)

• 서울과학기술대학교 정밀화학과, 부교수(2021.3–현재)