안녕하세요? 오늘은 제가 한국과학영재학교에 입학해서 처음으로 ‘현대 과학계의 클라스’를 느끼게 해줬던, 나노화학에 관련된 R&E와 졸업 연구 수행 에 큰 도움을 준 아주 고마운 프로그램에 대해 소개해드리려고 합니다. 앞으로 한국과학영재학교에서 화학 연구를 해나갈 친구들과 후배들에게 많은 도움이 되었으면 좋겠습니다.
CSD가 뭐지?
CSD(Cambridge Structural Database)는 1965년부터 CCDC(Cambridge Crystallographic Data Centre)에서 운영하고 있는 결정 구조 데이터베이스입니다. 현재 100만개 이상의 결정 구조 데이터가 있으며, 매년 50000개 이상의 데이터가 업데이트 되고 있습니다. 여담으로, 2019년 6월 8일에, 1-(7,9-diacetyl-11-methyl-6H-azepino[1,2-a]indol-6-yl)propan-2-one의 결정 구조가 CSD에 100만번 째로 등록되었다고 합니다.
CSD에서 얻을 수 있는 정보들
앞서는, 제가 CSD에서는 ‘결정 구조 데이터’를 얻을 수 있다고 두루뭉술하게 표현했었는데요, 자세히 어떤 정보들이 있는지 알아봅시다. 예시로, 대표적인 MOF(Meta-Organic Frameworks)인 MOF-5를 검색해 보겠습니다. 검색을 하면, 가장 먼저 길쭉한 표가 나타납니다. CSD는 기본적으로 연구자가 논문을 내고, 그 논문 속의 결정학적 데이터를 CSD 측에 등록하는 형식이기 때문에 항상 맨 위에는 이 구조를 연구한 논문의 저자와 논문 reference 정보가 있습니다. MOF-5는 O.M.Yaghi 외 3명의 저자가 Nature(London)에 publish한 논문에 있는 구조네요. 그 아래에는 이 분자의 화학식, 화학명, 관용명 등이 나타나 있습니다. 또, 결정학적으로 이 결정의 대칭성, 모양 등을 알려주는 Spacegroup(공간군)과 Cell parameter에 대한 정보도 나타나 있습니다. 이외에도, 분자 부피, Z값, 밀도, 합성 온도 등 정말 다양한 정보를 표로부터 얻을 수 있습니다.
왼쪽의 목록에 보면, ‘Diagram’이라는 목록이 있습니다. 클릭하면, 이 화합물의 구조식을 보여줍니다. 그러나, 3차원 구조가 많은 결정의 특성상 2차원 평면 그림으로는 이 결정에 대해 파악하기 쉽지 않습니다. 걱정하지 마세요, 바로 아래에 있는 3D Visualiser를 클릭하여 3D 구조를 확인할 수 있습니다! 마우스 드래그를 통해서 구조를 돌려가면서 살펴볼 수 있고, ‘Packing’ 기능을 이용해서 결정 구조를 unit cell 단위로 볼 수 있습니다. 구조식의 표현 형태를 ‘Wireframe, Capped Sticks, Spacefill’등 보기 편한 형태로 바꾸어 볼 수도 있습니다. 사실, 이 3D 구조를 확인하고, 간단한 계산이나 여러 가지 operation을 할 수 있게 하는 ‘Mercury’라는 프로그램이 따로 있습니다. Mercury 프로그램은 CSD 프로그램 다운로드 패키지에서 함께 다운로드 되기 때문에, ‘어떻게 다운받지?’하는 걱정은 하지 않으셔도 될 것 같습니다. 화면에서 Files -> View Entries in Mercury를 클릭하면 현재 선택되어있는 Entry의 구조를 Mercury에서 확인할 수 있습니다. 자세한 Operation 과정은 CCDC cambridge 유튜브 채널 (https://www.youtube.com/channel/UCT3mRwMjLxgoAfe8IHIFCoA) 에 올라와있는 가이드 영상이나 홈페이지의 문서를 참조하세요.
결정을 검색하는 방법
CSD에서 어떤 정보를 얻을 수 있는지도 중요하지만, 어떻게 내가 궁금한 결정을 검색할 수 있는지도 중요할 것입니다. 총 12가지 – Draw, Peptide, Author/Journal, Name/Class, Elements, Formula, Space Group, Unit Cell, Z/Density, Experimental, All Text, Refcode의 옵션으로 검색을 할 수 있는데, 자주 사용하게 될 기능은 Draw, Author/Journal, Name/Class(특히 Name), Refcode의 4가지 기능입니다.
Draw : 말 그대로 구조를 그려서 검색하는 방법입니다. 원자를 배열하고, 결합을 지정하여 그릴 수도 있지만, 이미 널리 알려진 여러 가지 작용기들을 불러오는 것도 가능합니다. ‘Any Bond’를 지정하는 기능은 특히 유용하게 사용되는데, 원자 간의 결합 상태는 알지만, 단일 결합을 하는지 이중 결합을 하는지 확실히 알 수 없을 때, 결합을 Any Bond로 설정해 놓으면 모든 경우의 수에 대해서 검색을 하게 됩니다. 내가 합성하려는/합성했던 물질이 기존에 존재하여 연구되었던 물질인지, 아니면 새로이 만들어진 물질인지 1차적으로 확인할 때 자주 쓰입니다.
Author/Journal : 특정 연구자가 발표한 결정 구조를 찾을 수 있는 방법입니다. 연구자의 이름으로 검색을 할 수도 있고, 더 자세하게 검색하려면 거기에 Journal name, Volume, Page 등의 정보를 더 입력해서 찾을 수도 있습니다. 사실 궁금한 ‘구조’를 찾기 보다는 우리 학교 선생님들께서 어떤 결정 구조를 발표하셨을까 궁금할 때, 재미용으로 찾아보는 경우가 많긴 합니다.
Name/Class : 화합물의 이름으로 검색을 하는 방법입니다. 대개 관용명을 가지는 화합물들의(MOF-5, Fullerene, Graphene, Zeolite X 등) 결정 구조를 찾을 때 많이 사용됩니다. 꼭 들어가야하는 단어, 들어가서는 안되는 단어, 정확히 이 단어만을 포함해야한다는 설정 등을 활용해서 검색의 폭을 좁혀나갈 수 있습니다.
Refcode : CSD에 저장되는 모든 물질들은 그 고유의 6자리 알파벳 코드를 부여받게 됩니다. 그 코드를 이용하여 검색을 한다면, 코드와 결정이 1대1 대응이 되기 때문에 번거로운 검색 과정을 생략할 수 있어 속도가 빠릅니다. 이미 한번 검색했던 물질의 Code를 기억해두었다가, 빠르게 다시 찾아볼 때 이 기능을 사용하게 됩니다. Code가 비슷하다고 해서 비슷한 결정 구조를 가지는 건 아닌데, 같은 저자가 발표한 물질의 Code가 유사한 것으로 보아, 처음에 CSD에 결정을 등록할 때 연구자가 코드를 제안하는 방식이라고 추측됩니다.
Combine Query : 우리가 Draw, Author/Journal 등의 조건을 두어 검색한 결과의 집합을 ‘Query’라고 합니다. Combine Query는 여러 개의 Query를 합해서 꼭 포함해야 하는 것(AND), 포함해서는 안 되는 것(NOT), 적어도 하나는 포함해야 하는 것(OR)를 지정해 주어 검색을 하게 해줍니다. CSD에 100만개 이상의 결정 데이터가 있는 만큼, 적은 정보로 검색을 하게 된다면, 수천 가지의 결정 데이터가 쏟아지면서 그것을 일일이 걸러내야 한다는 단점이 있습니다. ‘Combine Query’라는 기능을 사용한다면, 검색 결과의 개수를 크게 줄여낼 수 있습니다.
이 프로그램에 너무 많은 기능들이 존재하여 일일이 나열하기는 힘들기 때문에, 가장 간단하고 자주 사용하게 될 기능들에 대해 간단히 설명 드렸습니다. 조금 더 자세한 기능들에 대해 잘 설명된 유튜브 링크를 첨부하니, 관심이 있으신 분들은 시청 하셔도 좋을 것 같습니다.
CCDC conquest에서 검색을 하는 방법
마치며
이상 정말 간단하게 CSD 프로그램에 대한 설명을 드렸습니다. 정말 다양하고 신기한 기능들이 많은데, 모두 담지 못한 점이 참 아쉽습니다. 이 기사를 보시고, 더 궁금한 점이 있으시다면 한국과학영재학교 재학생분들은 갠톡으로, 외부인께서는 rlaehgud0417@hanmail.net의 이메일로 자유롭게 연락 주시면 성심성의껏 답변해 드리겠습니다. 모두 건강하게 학교에서 만나요!
참고자료
[1] 위키피디아 en.wikipedia.org
[2] KSA 나노화학의 입문 수업
첨부 이미지 출처
[1] 위키피디아 en.wikipedia.org
첨부 동영상 링크
[1] https://www.youtube.com/watch?v=XFX7FRPiq5w
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작성자│김도형
발행호│2020년 봄호
