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첨단기술정보

재료구조 예측: 직관과 컴퓨터 계산의 융합

전문가 제언: 원자/분자를 규칙적으로 쌓아올려 만들어지는 무기재료의 최종 구조, 즉 결정구조를 예측하는 것은 화학과 재료과학 분야의 오래된 그러나 근본적인 도전 과제 중 하나라고 할 수 있다. 과학자들은 수학의 공리에 해당되는 제1원리(first principle), 즉 순수한 과학적 원리를 기초로 하여 무기재료의 구조를 예측하고자 시도한다. 가장 일반적인 예측 방법은 성분원소들로 구조물을 조립할 경우 어떤 것이 가장 적은 에너지를 요구하는가를 찾는 것이다. 그 이유는 열역학적으로 안정된 물질은 에너지 상태가 낮기 때문이다.

최근 Rosseinsky 등(Science, 340, 847~852, 2013)은 원자 수준의 조립 단계를 생략하고 몇 개 층의 원자들로 구성된 모듈(module)을 상정한 후, 그것을 조립의 기초 단위로 삼는 좀 더 단순화된 방식을 채택하였다. 그 모듈은 이미 알려져 있는 구조물의 원자 층일 수도 있고 새로운 형태일 수도 있다. 그들은 이 방법으로 고체산화물연료전지(SOFC)의 음극재료인 페로브스카이트 계 산화물 YBa2Ca2Fe5O13의 가상 조립을 시험하여 그것이 최저 에너지의 구조물임을 입증하였고, 더 나아가 그것의 성질을 개량하는 방안을 제시하였다. 에너지 계산을 비롯한 모든 계산은 컴퓨터를 이용하여 수행하였다.