서강대학교

초록/요약

우리가 다루는 시스템이 공간적으로 혹은 동역학적으로 불균일해지거나, 혹은 좁은 공간에 갇히게 되면, 균일한 계에서는 관찰할 수 없었던 다양한 이동 현상과 열적 특성을 관찰하게 된다. 이러한 불균일하고 갇힌 공간에서의 특성을 물리 혹은 화학적으로 이해하는 것은 매우 어려운 일이지만, 이는 학문적으로 매우 흥미롭고 또 산업적 응용에서 매우 중요하기 때문에, 학문 및 산업 분야에서 매우 중요한 주제로써 연구되고 있다. 본 학위 논문에서는 공간적으로 불균일하거나 공간적으로 갇힌 시스템 중 대표적인 세 가지 시스템의 이동 현상 및 열적 특성 을 다루고자 한다. 즉, 고분자 복합체의 전기적 특성, 2차원 다공성 계 안에서의 입자의 확산, 고분자 섬유의 유리 전이 현상을 주로 몬테카를로 및 분자 동역학 시뮬레이션을 이용해 분석 하고자 한다. 먼저, 고분자 복합체는 전기 전도성이 있는 나노 입자와 적절한 광학적, 열적, 기계적 특성을 갖는 고분자를 혼합한 물질이다. 고분자 복합체는 뛰어난 전기 전도성을 갖고있기 때문에 산 업적으로 많은 주목을 받는 물질이다. 고분자 복합체 안에서 전자는 전도성 나노 입자를 통해 서 흐를 수 있기 때문에, 고분자 복합체 속에 전도성 나노입자의 공간적인 배향은 고분자 복 합체의 전기적 특성에 많은 영향을 미친다. 우리는 몬테 카를로 시뮬레이션을 이용해서 전도 성이 없는 나노 입자를 추가적으로 주입해 전도성 입자의 공간적 배향을 제어할 수 있고 그 결과, 고분자 복합체의 전기적 특성이 매우 향상 될 수 있음을 보였다. 그리고, 고분자 복합체 의 기계적 변형은 복합체 속 전도성 나노 입자의 공간적인 분포에 영향을 주고, 이로인해 고 분자 복합체의 전기 전도성이 감소할 수 있음을 보였다. 2차원 다공성 계는 공간적으로 불균일한 계에서 유체의 동역학적 특성을 탐구하기 위해 활발 히 연구되어 왔으며, 유리, 다공성 물질, 둘러쌓인 생물학적 계 내에서의 유체의 확산을 이해 하는데에 많은 통찰력을 준다. 우리는 2차원 다공성 계를 2차원 공간에 딱딱한 장애물 입자를 배치함으로써 구현하였고, 그 안에 유체 입자의 동역학적 특성을 불연속 분자 동역학 시뮬레 이션을 이용해 분석하였다. 우리는 장애물 입자의 크기 분포의 다분산 정도가 커질수록 유체 입자의 확산이 브라운 확산에서 비이상적 그리고 갇힌 확산으로 바뀜을 보였다. 그러나 놀랍 게도 유체의 확산 계수 (D) 는 장애물 크기의 다분산 정도와 상관 없이 같은 스케일링 관계 (\D~(\phi_c -\phi)^\mu)를 만족한다. 여기서 \phi 는 장애물의 농도, \phi_c는 포어 퍼콜레이션 역치일 때의 장애물의 농도, 그리고 \mu 는 스케일링 상수를 나타낸다. 스케일링 상수값 \mu는 2차원 공간에서 보편적인 값을 갖는다고 알려져왔지만, 우리는 매질의 점성도에 따라 \mu 값이 비보편적인 값을 가질 수 있음을 동역학적 몬테카를로 시뮬레이션을 이용해 보였다. 고분자 섬유는 넓은 표면적, 높은 다공성, 그리고 강한 기계적 특성을 갖고있기 때문에, 조직 공학기술, 약물질 전달, 에너지 저장 분야 등 다양한 분야에서 주목받고 있는 재료이다. 고분 자 섬유의 유리 전이 온도는 고분자 섬유를 가공할 때 알아야 할 매우 중요한 물리량이지만, 고분자 섬유 한가닥을 채취해 그것의 특성을 분석하는 것은 실험적으로 매우 어렵기 때문에, 그동안 잘 공부되어 오지 못했다. 우리는 고분사 섬유를 코스-그레인드 모델을 이용해 모사하고, 분자 동역학 시뮬레이션을 이용해 고분자 섬유의 유리 전이 현상과 그와 관련된 동역학적 특성을 분석하였다. 우리는 고분자 섬유의 유리 전이 온도와 부서짐 정도를 보겔-펄쳐-타만 식을 이용해 구하였고, 이를 통해 고분자의 직경이 작아질수록 유리 전이 온도와 부서짐 정도 가 감소함을 알 수 있었다. 고분자 섬유 표면에서 고분자의 동역학적 거동은 중심보다 빠르게 되는데, 표면에서의 빠른 동역학적 거동은 고분자를 덜 협동적으로 움직이게 하고, 이것이 유 리 전이 온도와 부서짐 정도를 감소시키는 큰 요인이라는 것을 보였다.