나노기술 및 정책 정보

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듀크 대학교(Duke University) 연구팀이 나노입자가 더 큰 구조로 자기 조립되도록 하는 인력을 계산하는 단순화된 방법을 고안했음. 이 새로운 모델과 그 힘을 보여주는 그래픽 사용자 인터페이스를 통해 연구자들은 다양한 모양을 가진 나노입자가 서로 어떻게 상호 작용하는지에 대해 이전에는 불가능했던 예측을 할 수 있게 될 것임. 새로운 방법은 태양 에너지 활용에서 촉매 반응 구동에 이르기까지 광범위한 응용 분야에서 이러한 입자를 합리적으로 설계할 수 있는 기회를 제공함. 나노 기술에 관한 최신 연구에서 이러한 유형의 나노입자가 새로운 응용 프로그램에 사용되는 것을 볼 수 있음. 그러나 매우 가까운 범위에서 이러한 입자를 함께 끌어 당기는 힘을 정확하게 계산하는 것은 계산 비용이 매우 많이 듦. 이제 연구팀은 이러한 계산 속도를 수백만 배나 높이는 동시에 정확도는 약간만 떨어지는 접근 방식을 입증했음. 나노입자 사이에 작용하는 힘을 반 데르 발스 힘이라고 함. 이러한 힘은 양자 물리학의 복잡한 법칙에 따라 원자 궤도를 도는 전자 밀도의 작은 일시적인 이동 때문에 발생함. 이러한 힘은 쿨롱 힘 및 수소 결합과 같은 다른 분자간 상호 작용보다 약하지만, 어디에나 존재하며 각 원자 사이에서 작용하며 종종 입자 사이의 최종적인 상호 작용을 지배함. 입자 사이의 이러한 힘을 적절히 설명하려면 입자의 모든 원자가 근처 입자의 모든 원자에 가하는 반 데르 발스 힘을 계산해야함. 문제의 두 입자가 모두 10 나노미터보다 작은 입방체였다고 하더라도 그러한 모든 원자간 상호 작용을 합한 계산 수는 수천만에 달할 것임. 다중 입자 시뮬레이션에서 서로 다른 위치와 방향에 있는 수천 개의 입자에 대해 이 작업을 반복해서 시도하는 것이 왜 빠르게 불가능해지는 지 쉽게 알 수 있음.

연구팀은 분석 솔루션에 근접한 합계를 공식화하기 위해 많은 작업을 수행했음. 일부 접근법은 입자를 서로 붙어있는 극히 작은 입방체로 구성된 것으로 취급함. 다른 접근법은 극히 얇은 원형 고리로 공간을 채우려고 함. 이러한 체적 이산화 전략을 통해 연구원은 평행 평면 또는 구형 입자, 이러한 전략은 더 복잡한 형상으로 인해 면 처리 입자 간의 상호 작용을 단순화하는 데 사용할 수 없음. 따라서 연구팀은 몇 가지 단순화를 통해 다른 접근 방식을 취했음. 첫 번째 단계는 입자를 입방체 요소가 아닌 다양한 길이의 막대 모양 요소로 구성하는 것으로 표현함. 그런 다음 모델은 투영했을 때 다른 입자의 투영된 경계를 벗어나는 막대의 경우는 전체 상호 작용 에너지에 무시할 정도로 기여한다고 가정함.

본 연구 성과는 ‘Nanoscale Horizons’ (“Analytical van der Waals interaction potential for faceted nanoparticles”) 지에 게재됨