소개글
"화학 시뮬레이션 실험"에 대한 내용입니다.
목차
1. 화학 시뮬레이션 실험
1.1. 고분자 용액 및 용융체 열역학적 특성 분석
1.1.1. 계산화학 시뮬레이션
1.1.2. 고분자 용액과 용융체의 반응 및 거동
1.1.3. 몬테카를로 시뮬레이션 기법 활용
1.2. 고분자 물성 및 동역학 분석
1.2.1. 고분자 크기와 구조 특성
1.2.2. 고분자 확산 계수 및 이동성
1.2.3. 실험값과 이론값 비교 및 오차율 분석
1.3. 실험 결과 고찰 및 토의
1.3.1. 용매와 고분자 간 상호작용
1.3.2. 이상적 고분자와 실제 고분자의 차이
1.3.3. 고분자 동역학 분석
2. 몬테카를로 시뮬레이션의 활용
2.1. 몬테카를로 시뮬레이션의 개념
2.2. 몬테카를로 시뮬레이션의 적용 분야
2.2.1. 공학 및 과학 분야
2.2.2. 금융 및 경영 분야
2.3. 시설 대안 평가 사례
2.3.1. 내륙 수로 교통안전 시설 경제성 분석
2.3.2. 교육시설 수선 및 교체 비용 분석
3. 참고 문헌
본문내용
1. 화학 시뮬레이션 실험
1.1. 고분자 용액 및 용융체 열역학적 특성 분석
1.1.1. 계산화학 시뮬레이션
계산화학 시뮬레이션은 EDISON과 VMD 프로그램을 이용하여 고분자의 불연속 분자동역학(Discontinuous Molecular Dynamics, DMD) 시뮬레이션을 진행하였다. 이를 통해 고분자 용액과 용융체의 열역학적 특성을 분석할 수 있다.
고분자 용액에서는 용매와 고분자 사이의 상호작용이 강하므로 고분자의 단량체 사이의 반발력이 상대적으로 강해진다. 반면 고분자 용융체는 단량체들이 서로 상호작용하여 이상적인 고분자 구조를 가진다.
VMD 프로그램을 활용하여 고분자 용액과 용융체의 Radius of gyration(Rg)을 분석한 결과, 고분자의 길이가 길수록 Rg 값이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 용액의 Rg 실험값은 0.6426, 용융체의 Rg 실험값은 0.59124로 나타났다. 이를 통해 용액의 용매가 athermal solvent임을 알 수 있었다.
또한 고분자의 평균 제곱 변위를 분석한 결과, 고분자의 길이가 늘어날수록 확산 계수가 감소하는 것으로 나타났다. 하지만 실험결과와 이론값 간 차이가 일부 존재하는데, 이는 실험이 아닌 시뮬레이션 특성상 발생할 수 있는 오차로 추측된다. 시뮬레이션 결과를 분석하여 고분자의 열역학적 특성과 동역학적 거동을 이해할 수 있었다.
1.1.2. 고분자 용액과 용융체의 반응 및 거동
고분자는 강체로 된 단량체(monomer)들의 집합이다. 이론적으로 monomer들은 서로 상호작용하지 않으나, 실제 이들 사이에는 강한 반발력이 존재한다. 고분자 용액(solution)에서는 용매와 고분자 사이의 상호작용이 강하다면 고분자의 단량체 사이의 반발력이 상대적으로 강해질 것이다. 반면 고분자 용융체(melt)는 monomer들이 용매 역할을 하여 monomer간 상호작용이 상쇄되므로 이상적인 고분자 구조를 가진다. 이를 통해 고분자 용액과 용융체에서 고분자의 반응 및 거동이 다르게 나타나는 것을 알 수 있다. 고분자 용액은 용매와 고분자 간 상호작용이 강하여 고분자의 단량체 사이의 반발력이 크게 작용하지만, 고분자 용융체는 monomer들이 용매 역할을 하여 monomer 간 상호작용이 상쇄되어 이상적인 고분자 구조를 가진다. 따라서 고분자 용액과 용융체의 반응 및 거동은 서로 다르게 나타난다.
1.1.3. 몬테카를로 시뮬레이션 기법 활용
몬테카를로 시뮬레이션은 무작위 난수를 이용하여 여러 번의 반복 시행을 통해 확률분포를 추출하는 방법이다. 이는 현실에서의 불확실성을 모사하기 위해 사용되며, 경영의사결정, 공학 및 과학 분야 등 다양한 분야에서 활용된다.
고분자 용액 및 용융체 열역학적 특성 분석에 몬테카를로 시뮬레이션을 활용할 수 있다. 고분자는 단량체들의 집합체이며, 이상적 고분자와 실제 고분자의 물성에는 차이가 있다. 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 고분자 용액과 용융체에서의 반응 및 거동을 분석할 수 있다.
구체적으로, 불연속 분자동역학(Discontinuous Molecular Dynamics, DMD) 시뮬레이션을 수행하여 고분자의 열역학적 성질을 해석할 수 있다. 이를 통해 고분자 용액에서의 용매와 고분자 간 상호작용, 이상적 고분자와 실제 고분자의 차이, 고분자 동역학 등을 분석할 수 있다.
EDISON 및 VMD 프로그램을 활용하여 몬테카를로 시뮬레이션을 수행할 수 있다. 시뮬레이션 결과를 통해 고분자의 크기와 구조 특성, 확산 계수 및 이동성, 실험값과 이론값의 비교 및 오차율 분석 등을 수행할 수 있다.
예를 들어, 고분자 용액에서는 용매와 고분자 간 상호작용이 강할수록 고분자 단량체 간 반발력이 상대적으로 강해지는 것으로 관찰되었다. 반면 고분자 용융체에서는 단량체들이 서로 용매 역할을 하여 단량체 간 상호작용이 상쇄되어 이상적인 고분자 구조를 가지는 것으로 나타났다.
고분자의 물성은 무작위한 fractal 구조로 인해 다양하지만, 평균적인 물리적 성질은 고분자의 크기에 의존성을 가지는 것으로 확인되었다. 또한 평균 제곱 변위 분석을 통해 고분자 크기가 늘어날수록 확산 계수가 감소하는 경향을 확인할 수 있었다.
이와 같이 몬테카를로 시뮬레이션은 고분자 용액 및 용융체의 열역학적 특성 분석에 유용하게 활용될 수 있다. 시뮬레이션을 통해 고분자의 크기, 구조, 동역학 등 다양한 물성을 예측하고 분석할...
참고 자료
물리화학실험2 Exp 01 manual
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