연세대학교 화학과 심은지 교수 연구팀은 캘리포니아대학교-어바인 연구팀과 협업 연구를 통해 물의 다양한 성질을 정확하게 기술하는 양자 계산 방법을 개발했다. 

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.

연세대 심은지 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 연구의 의의를 전했다.

본 연구는 한국연구재단이 주관하는 중견연구자지원사업(NRF-2020R1A2C2007468)과 기초연구실지원사업(NRF-2020R1A4A1017737)의 지원으로 수행됐다. 연세대 화학과 송수환 박사가 제1주저자로, 김영삼 연구원과 유하영 연구원이 공동저자로, 심은지 교수가 교신저자로 함께 연구를 수행했으며, 2월 13일 세계적인 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 17.69)’ 온라인판에 게재됐다.