All-Atom Molecular Dynamics

전원자(all-atom) 분자동역학(molecular dynamics)은 시스템 내 모든 원자(물 분자, 이온, 결합 모두)를 추적하며 물리적 힘, 즉 결합 상호작용, 전기적 인력과 척력, 약한 반데르발스 인력 아래에서 원자들이 어떻게 이동하는지 계산한다. 원자를 단순화된 비드로 묶는 조대화(coarse-graining) 시뮬레이션과 달리, 전원자 모형은 과냉각 액체(supercooled liquid)의 국소 구조 비균일성, 고분자 질서화의 동역학, 물 속 이온 용해(ion dissolution)의 단계별 메커니즘 등을 분해하는 데 필요한 완전한 분자 세부 구조를 보존한다.

유리의 능동 미시유변학: 모형 금속 유리를 관통하는 단일 나노 규모 탐침의 마찰력 측정. 이 마찰력이 유리 전이(glass transition)를 반영하며 벌크 측정으로는 볼 수 없는 물질 내부의 국소 역학적 차이를 드러냄

블록 공중합체 질서화 경로: 무질서 고분자 용융체가 육방 원통 배열로 조직되는 과정 추적. 원통이 형성되었으나 정렬되지 않은 일시적 중간 상태 포함

이온 용해 메커니즘: Al³⁺ 같은 금속 이온의 배위 껍질(coordination shell)에 물 분자가 협동적으로 진입하는 과정 추적. 접근 순서와 기하가 용해 경로를 결정함을 규명

조대화 모형의 전원자 검증: 전원자 궤적에서 얻은 구조·동역학 참조 측정량이 단순화된 조대화 모형의 교정 기준 제공

이 페이지의 시각화는 물에 녹인 카페인의 명시적 용매(explicit solvent) 궤적을 사용하여 전원자 MD의 핵심 개념을 예시한다: 원자 표현 방식, 힘장 항(force-field term)이 실제로 어떻게 보이는지, 국소 분자 구조가 장소에 따라 어떻게 달라지는지, 주기 경계 조건(periodic boundary conditions)이 어떻게 작동하는지. 이 궤적은 하나의 예시이며, 이 개념들은 액체나 용액의 모든 전원자 시뮬레이션에 적용된다.

Yu et al., Science Advances (2020), 금속 유리의 능동 미시유변학(active microrheology)

Madanchi et al., Soft Matter (2021), 유리의 마찰 동역학

Seo et al., Soft Matter (2020), 원통형 마이크로상 분리(microphase separation)

Kim et al., J. Phys. Chem. Lett. (2024), Al³⁺ 용해