10 nm - 1 μm

메조스케일 모델링

조대화는 여러 원자를 단순한 단위로 묶어 더 큰 계와 긴 집단 움직임을 계산한다.

묶은 입자 · nm · µm
이중 자이로이드 고분자 구조
여러 원자를 묶어 표현한 고분자 궤적
모형 입자 196,500개

묶은 입자 · nm · µm
정이십면체 바이러스 캡시드
여러 원자를 묶어 표현한 탄성 모형
모형 입자 28,620개

원자를 묶어 집단 거동을 본다

조대화(coarse-graining)는 이웃한 원자 여러 개를 비드라고 부르는 하나의 상호작용점(interaction site)으로 묶는 방법이다. 계산할 입자 수를 줄이고 빠른 내부 운동을 단순화하면 더 큰 계와 느린 집단 변화를 따라갈 수 있다. 모형은 고분자 사슬의 전체 모양과 연결 관계처럼 선택한 특징을 남긴다. 비드로 묶는 방식이 계산 범위와 해상도, 평균화할 원자 정보를 함께 정한다.

이 규모에서 나타나는 성질

많은 재료의 성질은 분자가 여럿 모여야 생긴다. 고분자 그물은 탄성을 띤다. 블록 공중합체(block copolymer)는 반복 구조를 만들고 고분자로 감싼 나노입자는 결정처럼 배열된다. 이런 변화에는 조대화 모형이 제공하는 넓은 크기와 시간 범위가 필요하다. 계산 결과를 산란 실험의 반복 간격이나 현미경 구조와 직접 비교한다.

연구실에서 쓰는 방식

고분자 사슬을 표면에 붙인 나노입자에서는 부드러운 고분자 껍질의 모양과 입자가 이루는 결정 구조를 연결한다. 주쇄(backbone)에 곁사슬(side chain)이 빽빽한 병솔형 고분자(bottlebrush polymer) 하나를 입자에 붙이면 방향성이 생겨 정사각형, 육각형, 사슬 모양 배열을 고를 수 있다. 물을 머금은 고분자 그물인 하이드로겔(hydrogel)에서는 사슬이 접히거나 펴진 상태와 사슬 사이 접촉이 탄성을 어떻게 바꾸는지 계산한다. 표면에 고정된 고분자 층인 브러시가 그 안의 물체 사이 인력을 바꾸는 과정도 연구한다.

원자 계산과 실험으로 보정한다

비드 사이의 유효 상호작용은 전원자(all-atom) 궤적이나 실험값에 맞춰 정한다. 목표 구조와 물성을 재현하는지 확인하면 모형의 작동 범위가 정해진다. 새로운 물성을 추가로 검증할 때마다 그 범위도 넓어진다.

이중 자이로이드 고분자 구조

정이십면체 바이러스 캡시드

원자를 묶어 집단 거동을 본다

이 규모에서 나타나는 성질

연구실에서 쓰는 방식

원자 계산과 실험으로 보정한다

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