연구 내용
연구 주제 1: 화학 반응 과정에 대한 체계적 분석
계산화학을 사용한 화학 반응 연구에서는 흔히 반응물, 전이 상태, 생성물들에 대한 가설을 세운 후, 각각의 구조들에 대한 자유 에너지들을 구하여 반응 속도를 계산하거나 선호되는 메커니즘을 결정합니다. 이러한 접근은 밀도 범함수론(density functional theory: DFT) 등의 효율적인 양자화학 방법론들과 결합되어 널리 쓰이고 있지만, 그럼에도 불구하고 다음과 같은 가정들에 의존한다는 한계를 가집니다.
– 분자들을 구성하는 원자들의 움직임은 조화 진동자와 같은 단순한 모형들을 따른다.
– 활성화 에너지만이 반응 속도를 결정하며, 반응 경로의 길이나 모양은 무시할 수 있다.
– 반응 장벽 너머로의 터널링이나, 비평형 상태에서의 경로 의존성 등은 고려하지 않는다.
이러한 요소들이 실제 반응 과정에 미치는 영향에 대해서는 자세히 연구되어 있지 않기에, 엄밀한 계산 이론들에 기반한 분석을 수행하여 근본적인 이해를 추구하고자 합니다. 또한, 이렇게 축적된 경험들을 자동화된 반응 공간 탐색 방법들과 연결시켜, 화학 반응 연구를 위한 새로운 계산화학 패러다임을 구축할 것입니다.
연구 주제 2: 복잡한 생화학 계의 분자 동역학
분자 동역학 시뮬레이션은 단백질의 접힘, 구조 변화, 효소 반응 등을 자세한 수준에서 연구하기 위한 도구로 널리 사용되어 왔습니다. 보통 신속한 데이터 수집을 위하여 분자 역학 힘장(molecular mechanics force field)을 자주 사용하지만, 이들의 신뢰도는 많은 경우 정량적인 분석을 수행하기에는 부족합니다. 저희 연구실에서는 단백질 내부의 복잡한 전기적 환경을 묘사하는 데 특화된 기계학습 기반 힘장을 개발하고, 시뮬레이션으로부터 얻어진 데이터를 통계적으로 처리하여 효소 내에서 기질의 결합 에너지나 반응 진행에 관련된 자유 에너지를 정확하게 계산하려 합니다. 이러한 결과들은 실험 과학자들이 신약을 개발하거나 효소 반응 데이터를 구조 생화학적으로 해석하는 데 많은 도움을 줄 수 있습니다.
또한, 대량의 궤적(trajectory) 데이터를 분석하여 단백질이 만들어 내는 수많은 미시적 구조들을 효과적으로 분류하고, 이들 사이의 변화 속도를 계산하는 일에도 관심이 있습니다. 이는 복잡한 효소 내부에서 기질 분자나 이온들이 어떤 방식으로 이동하는지에 대하여 직관적으로 알려 줄 수 있다는 점에서 특히 중요합니다.
연구 주제 3: 양자 세계의 열역학 법칙과 그 응용
미시 세계의 파동 함수는 고립되어 있지 않고 끊임없이 주변 환경과 상호 작용하는데, 이러한 상태를 열린 양자계(open quantum system)라 합니다. 이 주제에 대한 깊은 이론적 연구는 비단 추상적인 물리학 현상뿐만이 아니라, 빛을 받아 들뜬 상태가 되거나 전극 근처에서 산화-환원 반응에 참여하는 분자들의 행동같이 화학과 관련된 사례들에 대해서도 구체적인 설명을 제공한다는 점에서 유용성을 갖습니다.
서로 인접한 분자들이나 작용기들 사이에서 일어나는 에너지/엔트로피/전자 전달은 분자의 세부적인 구조에 영향을 받으며, 이러한 맥락에서 분자 구조와 동역학 간 상관 관계를 자세히 규명하고 더 나아가 분자의 양자역학적 거동을 우리가 원하는 대로 조작하고자 하는 시도들이 최근 진행되고 있습니다. 저희 연구실에서는 이를 달성하기 위한 이론과 계산 도구들을 개발하고, 동시에 실제 분자계에 적용할 수 있는 방향도 탐색할 계획입니다. 얻어진 결과물들은 광소재에서 주로 일어나는 전하 분리 및 이동에 대한 분석이나, 양자 컴퓨터의 핵심 부품인 큐비트(qubit)의 성능 향상 등에 활용될 수 있을 것으로 전망합니다.