「분자동역학 시뮬레이션으로 구현된 나노 스케일의 압입 시험을 통한 TiO₂ 나노튜브의 물성치」

동산고등학교 서승준

1. 연구 목적

나노 크기의 TiO₂ 나노튜브는 실제 실험으로 물성치를 측정하기 어렵다. 본 연구는 분자동역학(Molecular Dynamics, MD) 시뮬레이션을 활용해 나노 압입 시험을 구현하고,

이를 통해 TiO₂ 나노튜브의 강도와 강성 등 물성치를 계산하는 것을 목표로 한다

2. 시뮬레이션 개요

모델 구조: 삼각뿔 형태의 압입기가 TiO₂ 나노튜브 표면을 누르는 형태로 모델링

TiO₂ 결정상: 아나테이즈(anatase) 구조, (100)면 기준

포텐셜 함수:

-TiO₂ 나노튜브: MEAM 포텐셜

-압입기: AIREBO 포텐셜

-상호작용: Lennard-Jones (12-6 LJ) 포텐셜

시뮬레이션 조건:

앙상블: NPT

-압입 속도: 10 m/s

-침투 깊이: 6 Å (옹스트롬)

3. 결과 및 분석

-시뮬레이션을 통해 힘(Force)–거리(Displacement) 곡선을 도출.

-하중(Loading)과 언로딩(Unloading) 과정이 명확히 구분됨.

다음 식을 이용하여 TiO₂ 나노튜브의 강성(Stiffness) 계산:

-계산 결과, TiO₂ 나노튜브의 강성은 약 25 N/m으로 나타남.

이는 TiO₂ 나노튜브가 높은 탄성 복원력을 가지며, 나노 구조체로서 안정적인 기계적 특성을 가짐을 의미함.

4. 결론

-분자동역학 시뮬레이션 기반의 나노 압입 시험을 통해

실제 제작이 어려운 TiO₂ 나노튜브의 물성치를 정량적으로 예측할 수 있었다.

-본 연구는 나노스케일 구조체의 물성 측정 방법으로 활용 가능성이 높으며, 향후 나노소재 설계 및 분석 분야에서 중요한 기초 데이터로 활용될 수 있다.

용어설명:

1. 분자동역학 (Molecular Dynamics, MD)

의미: 원자나 분자의 움직임을 시간에 따라 계산하는 컴퓨터 시뮬레이션 기법.

원리: 각 원자에 작용하는 힘(포텐셜)을 계산해서 뉴턴의 운동방정식으로 위치와 속도를 갱신함.

용도: 실제로 실험하기 어려운 나노 크기 물질의 거동을 모사할 때 사용.

예: 나노튜브, 단결정, 단백질 접힘 등.

2. 압입시험 (Indentation Test)

의미: 날카로운 압입기(indenter)를 재료 표면에 눌러 넣어, 그 반응(힘, 변형)을 측정하는 실험.

용도: 재료의 경도, 탄성계수, 강도 등을 계산할 수 있음.

나노 압입시험: 원자 수준(나노미터 크기)의 압입기로 물질의 미세한 기계적 성질을 측정.

3. TiO₂ (이산화 티타늄, Titanium Dioxide)

구성: 티타늄(Ti)과 산소(O)로 이루어진 화합물.

특징:

매우 단단하고 화학적으로 안정함.

광촉매 작용이 뛰어나 자정유리나 태양전지에 쓰임.

나노튜브 형태로 만들면 가볍고 강한 구조체로 활용 가능.

4. 나노튜브 (Nanotube)

의미: 아주 미세한 관(튜브) 모양의 나노 구조체.

크기: 지름이 수 나노미터(1nm = 10⁻⁹m) 수준.

특징: 강도는 강철보다 높고, 전기적·열적 성질이 우수함.

TiO₂ 나노튜브는 세라믹 기반의 나노 구조체로, 내열성과 내식성이 좋음.

5. 아나테이즈 (Anatase) 상(Phase)

TiO₂의 결정 구조 중 하나.

TiO₂는 주로 3가지 결정형을 가짐:

아나테이즈(anatase) – 결정이 가볍고 광활성이 높음.

루틸(rutile) – 안정하고 밀도가 높음.

브루카이트(brookite) – 드물고 복잡한 구조.

본 연구에서는 아나테이즈 상의 TiO₂ 나노튜브를 시뮬레이션함.

6. 포텐셜 함수 (Potential Function)

의미: 원자 간 힘(인력, 반발력)을 수학적으로 표현한 식.

MD 시뮬레이션의 핵심으로, 어떤 포텐셜을 쓰느냐에 따라 결과가 달라짐.

-MEAM 포텐셜 (Modified Embedded Atom Method)

금속 원자들 사이의 결합과 상호작용을 표현하는 포텐셜 함수.

원자의 위치뿐만 아니라 주변 원자들의 밀도까지 고려해서 더 현실적인 금속 거동을 모사함.

TiO₂처럼 금속 성분이 포함된 재료에 적합.

-AIREBO 포텐셜 (Adaptive Intermolecular Reactive Empirical Bond Order)

탄소 기반 물질에 사용되는 포텐셜.

결합이 생기거나 끊어지는 화학 반응형 포텐셜로, 다이아몬드, 그래핀, 압입기(다이아몬드 팁) 등에 사용됨.

-Lennard-Jones (LJ) 포텐셜

두 입자 간의 짧은 거리 반발력 + 긴 거리 인력을 단순하게 표현한 고전 포텐셜.

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참고문헌

-Gheewala et al. (2008), Nanoindentation and nanoscratching of rutile and anatase TiO₂, J. Phys. Condens. Matter, Vol.20.

-Pharr et al. (1992), On the generality of the relationship among contact stiffness, contact area, and elastic modulus during indentation, J. Mater. Res., Vol.7.

-Analysis Material Properties of TiO2 Nanotube through Realized Nano Indentation Test using Molecular Dynamics Simulation

Jung-sik Choi, Seung-jun Lee and Gil-ho Yoon