Studies of Inhomogeneity in Pure Water and Aqueous Solution Systems Using Computational Methods

Abstract

물은 논쟁의 여지 없이 우리가 접할 수 있는 가장 흔한 물질일 것이다. 순수한 물만으로 이루어진 계(system), 또는 물에 다른 물질들이 녹아있는 수용액 내에서 일어나는 물리적인 현상들은 지금도 우리의 일상생활을 구성하고있다. 이러한 계들에 대한 연구가 과거로부터 끊임없이 다각도로 이어져왔으나, 놀랍도록 다양한 성질들과 많은 물질들과의 조합이 만들어내는 풍부한 다양성으로 인해, 아직도 밝혀내지 못한 부분들이 많은 것도 사실이다. 특히, 연구결과들이 축적되어오면서 연구의 방향성은 점차 계 전체의 평균적인 성질들보다는 계 내부의 미시적인 척도에서 보이는 비균질적(inhomogeneous)인 성질과, 그 성질들이 계 전체에 미치는 영향으로 향하고있다. 한편, 이러한 연구에는 컴퓨터를 사용한 계산방법들이 많이 사용되어왔다. 계 전체를 이루는 입자의 수는 큰 반면 물리적인 현상과 원리가 드러나는 척도는 미시적이기 때문에, 통계적인 평균치 이상의 성질들을 관측하고 상세한 기작을 연구하는 것은 간단하지 않다. 이런 상황에서, 통제된 환경에서 실제 계를 모사하고 현상들을 구현해내는 기법이나 이론에 의거하여 막대한 양의 계산을 수행하는 계산기법들이 상기된 목표를 달성하는데에 유용하게 쓰일 수가 있다. 사용되고있는 기법들의 예시로는 분자동역학 시뮬레이션, 몬테카를로 시뮬레이션, 제일원리 계산법, 수치해석적 계산법 등이 있으며, 최근 들어서는 기계학습기법과 같은 다른 공학분야의 응용기법들도 활용되고있다. 본 논문에서는 이러한 탐구의 일환으로 순수한 물 또는 물에 이온이나 전해질(electrolyte)이 녹아있는 계에서 보이는 몇가지 비균질적인 물리적 현상들을 컴퓨터를 사용한 계산방법들로 고찰하였다.

Inarguably, water is the most common substance we can encounter. The physical phenomena that occur in pure water or aqueous solution systems are being essential constituents of our daily lives. Studies of these systems have been done continually in many aspects from the past. However, it is true that there are still many unknowns due to the incredibly various properties and the rich diversity from the combination of many kinds of materials with water. In particular, with the accumulated study results from the past, the direction of the research is gradually moving toward the inhomogeneous properties in small scale and its influence on the whole system, rather than the averaged properties of the system. For these studies, besides experiments, many computational methods have been used also. Because the number of particles that make up the whole system is very large, while the scale that physical phenomena and principles are lying is microscopic, observing and studying inhomogeneity and detailed mechanisms are not simple. Techniques for modelling systems and simulating phenomena in a controlled way or for performing huge amounts of calculations based on theories could be useful in achieving such purposes. Examples of the computational technique include molecular dynamics simulation, Monte Carlo simulation, ab-initio (first principle) calculation, and other various numerical approximations and methods. Recently, other engineering techniques such as machine learning are being used too. In this dissertation paper, some of the inhomogeneous physical phenomena seen in a pure water system or solution systems with dissolved ions or electrolytes are investigated by computer-based calculation methods.