물은 살아있는 생물체의 생명 활동에 필수적이며 수많은 실험 및 이론 연구가 수행돼 왔지만, 양자 정보를 정확하게 계산하는 방법은 아직 미흡하다.
양자 몬테카를로 방법 등을 통해 비교적 정확하게 양자 계산을 수행할 수 있는 예도 있지만, 수반하는 계산 비용이 매우 크므로 현실적인 제약이 따르고 특히 실험 규모의 시뮬레이션은 사실상 불가능하다. 이에 밀도범함수 이론으로 물을 정확하게 기술하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
밀도범함수 이론은 분자 내 전자의 분포에 따라 에너지가 어떻게 결정되는지를 계산하는 양자 계산화학 연구법 중 최근 가장 광범위하게 사용되는 대표적인 방법이다. 이때 에너지를 비롯한 다양한 성질들을 전자 밀도에 대한 관계식으로 얻어낼 수 있다. 특히 밀도범함수 이론은 비교적 적은 계산량만으로도 상당히 정확한 결과를 주는 강점이 있어 화학이나 물리학 같은 기초과학뿐 아니라 생명과학, 재료과학 등 다양한 응용 분야에서 광범위하게 활용되고 있다.
심은지 교수 연구팀이 연구·개발한 '밀도보정-밀도범함수 이론'은 전자 밀도에 의한 오류에 집중해 오차를 줄이는 방법으로 관련 양자 계산화학 연구에 획기적인 돌파구를 제시했다는 평가를 받으며 학계의 주목을 받고 있는 새로운 이론이다.
연구팀은 밀도보정-밀도범함수 이론의 원칙에 기반해 물의 다양한 성질을 정확하게 예측하는 계산법을 개발했다. 이 계산법은 비슷한 수준의 다른 방법들과 비교했을 때, 화학적 정확도 수준 이상으로 정확하게 물의 거동을 모사할 수 있으며 나아가 분자 간 약한 상호 작용까지도 섬세하게 포착해 낼 수 있다.
심 교수는 "새롭게 개발한 양자 계산 방법은 물 분자 간 상호 작용뿐만 아니라 수용액에서의 유기 분자의 거동까지 정확하게 예측할 수 있으므로, 향후 생체 분자의 시뮬레이션에 적용된다면 그동안 난제로 생각됐던 생명 활동에 대한 정확한 정보도 제공할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.
본 연구는 한국연구재단이 주관하는 중견연구자지원사업과 기초연구실지원사업의 지원으로 수행됐다. 연세대 화학과 송수환 박사가 제1주저자로, 김영삼 연구원과 유하영 연구원이 공동저자로, 심은지 교수가 교신저자로 함께 연구를 수행했으며, 2월 13일 세계적인 학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈' 온라인판에 게재됐다.김대성기자 kdsung@dt.co.kr
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