지금까지 오랜 시간 동안 화학 연구는 실험을 기반으로 이루어졌습니다. 대부분의 과정은 가설을 세우고 이 가설에 따라 실험을 진행한 뒤 나오는 결과로 가설의 진위여부를 판단합니다. 그리고 가능한 경우 이 사이의 반응 메커니즘까지 예측할 수 있습니다. 이렇게 계속 화학에 대한 연구가 이루어져왔지만, 실험으로만 화학 연구를 진행했을 때의 한계가 적나라하게 드러났습니다. 왜냐하면 실험은 시작과 끝이 명백할 수는 있더라도 그 사이의 반응과 원리는 어디까지나 예측으로 밖에 채울 수 없기 때문입니다. 그런데 이러한 문제를 보완시켜주는 새로운 화학 패러다임이 바로 계산화학(computational science)입니다.
계산화학은 기본적으로 계산을 기반으로 이론화학을 다루는 학문을 말합니다. 즉 화학을 계산적으로 접근해서 실험적으로 알아내기 힘든 영역까지 연구하는 것입니다. 처음의 계산화학은 정확도가 너무 낮아서 그리 주목 받는 학문이 아니었습니다. 다양한 함수가 마련되어있지 않았고 컴퓨터 기술도 뛰어나지 못했습니다. 그런데 계산화학은 급격한 발전을 겪었고 현재는 계산만으로도 대부분의 화학반응을 정확히 이끌어내는 단계에까지 도달하였습니다. 그래서 계산화학을 하는 컴퓨터만 놓아져 있는 실험실이 점점 생겨나고 있습니다.
계산화학에 사용되는 함수
계산화학 내에서도 다양한 함수를 기반으로 다양한 화학반응들을 유도하고 특정 물질의 구조와 특성을 수치로 파악합니다. 계산화학에는 크게 다섯 가지의 함수가 대표적으로 사용됩니다. 이 각 함수는 계산을 하려는 상황과 목적에 알맞게 사용할 수 있습니다.
<Figure 1> 분자궤도함수
1) 분자궤도함수는 VSEPR이론은 보완한 오비탈 함수입니다. 이 함수로 특정 결합에서 전자가 위치할 곳의 확률을 알 수 있습니다.
2) 분자동역학은 입자의 움직임을 나타내는 함수입니다. 특정 원자 또는 결합된 형태의 계에서 기본적인 운동방정식으로 힘이 가해졌을 때의 변화를 찾아낼 수 있습니다.
3) 몬테카를로 방법은 특정 상황에서 확률을 알아낼 때 사용하는 방법입니다. 실질적인 연출이 어려운 상황에서 시뮬레이션을 통해 예측하고 그 예측에서 확률을 통해 결과를 도출해냅니다.
4) 분자역학은 분자 내에서의 결합에 대한 계산이 이루어지는 함수입니다. 분자력장 계산을 통해서 분자 사이의 결합이 일으키는 힘을 분석합니다.
5) 밀도범함수 이론은 분자의 존재 가능성까지 판단할 수 있는 계산화학의 기본 함수입니다. 분자의 모양, 결합, 안정성 등을 판단할 수 있어서 기본적으로 유용하게 쓰입니다.
계산화학의 발전
<Figure 2> 가우시안 실행 화면
1988년 노벨 화학상은 ‘가우시안’을 개발한 세 명의 화학자가 수상했습니다. 이 프로그램으로 양자화학 수준에서 슈뢰딩거 방정식을 이용한 계산이 쉽게 이루어졌습니다. 이를 기반으로 계산화학은 급격한 발전을 이뤘습니다. 그리고 이 가우시안을 개발한 3명의 과학자는 1998년 노벨 화학상을 수상했습니다. 이 이후 계산을 통한 결과가 점차 실험결과와 같아지면서 계산화학의 결과에 대한 정확도와 신뢰도가 증가했습니다. 그런데 가우시안은 고분자 단계까지 적용되지는 못하였습니다. 그리고 계속해서 고분자 시뮬레이션이 가능한 프로그램에 대한 연구가 진행되었습니다. 그 과정에서 양자역학과 뉴턴역학이 결합된 시스템을 기반으로 하는 참(CHARMM)이 탄생했습니다. 현재 가장 널리 쓰이고 있는 프로그램이고 광범위한 연구에 적용되고 있습니다. 이 프로그램을 개발한 3인의 과학자는 2013년 노벨 화학상을 수상하였습니다. 이처럼 계산화학은 화학계에서 계속해서 발전하고 인정받고 있습니다.
<Figure 3> 계산화학 실험실의 모습
계산화학은 이제 독립적인 연구분야의 단계까지 발전한 상태입니다. 즉, 계산화학만으로도 연구가 가능하다는 뜻입니다. 이 전까지는 실험과의 연계로 하나의 입증 방법으로만 이루어졌습니다. 그러나 이제는 계산화학을 통한 결과의 신뢰도가 실험과 비슷해졌습니다. 계산화학은 특히 촉매 연구에 유용하게 쓰입니다. 촉매 흡착의 원리를 밝혀내는 방법이 바로 계산화학을 통한 시뮬레이션이기 때문입니다. 특히 계산을 통해서 대부분의 메커니즘을 파악하고 나면 성공률이 현저히 높은 실험을 진행할 수 있습니다. 따라서 앞으로 계산화학은 더욱 더 빠르게 발전할 것이고 이에 계속해서 기대를 걸고 있는 상황입니다.
원하던 케미 2019 봄호
작성자: 18-110 최성아
분야: 계산화학
참고문헌:
[1] 화학이 컴퓨터를 만날 때, 계산화학의 모든 것
[2] 계산화학
https://ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B3%84%EC%82%B0%ED%99%94%ED%95%99
이미지:
[1] CHEMISTRY
[2] Gaussian tutorial
https://www.d.umn.edu/~psiders/courses/chem5650/gaussviewtutorial/tutorial.html
[3] KAUST Computational chemistry lab
https://kc2l.kaust.edu.sa/Pages/JoinUs.aspx
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