Research
화학은 "변화의 과학 (Science of Change)" 입니다. 21세기에 이르기까지, 이러한 변화에 가장 중요한 역할을 하는 것은 분자 안의 전자의 움직임이라는 것이 밝혀져 왔습니다. 그런 의미에서, 현대 화학은 "전자의 과학 (Science of Electrons)" 이라고 할 수 있습니다. 다른 말로, 현대 화학 연구에서는 반응 메커니즘을 전자 구조 수준에서 이해하는 것이 무엇보다 중요합니다.
우리 연구실에서는, 반응 메커니즘을 전자 구조 수준에서 이해하고자 합니다. 이를 위해, 새로운 다참조 양자화학 방법론과 분자 동역학 시뮬레이션을 결합한 이론화학적 연구를 진행하고 있습니다. 구체적인 연구 주제 몇 가지는 다음과 같습니다.
새로운 양자화학 방법론과 컴퓨터 프로그램의 개발
현재의 다참조 이론은 고유한 단점들이 있습니다. 활성 공간 (active space) 크기의 문제는 너무나도 잘 알려져 있고, 계산 비용이 시스템의 크기에 polynomial 하게 비례하므로, 시스템의 크기 자체가 제한되는 경우가 있습니다. 우리 연구실에서는 낮은 스케일링을 가지는 다참조 이론과, 그 방법론에서의 퍼텐셜 에너지 경사를 구하여 분자 구조를 최적화하는 방법론을 개발하고 있습니다.
앞으로 효소에서의 반응 메커니즘 연구에서의 활성 자리 (active site) 의 모델을 이 방법을 통해 더욱 정확하게 만들 수 있을 것이며, 또한 양자역학적으로 긴 거리에서의 상호작용의 영향 역시 볼 수 있을 것이라 기대합니다.
금속 효소의 메커니즘 연구
효소 내의 전기장이 효소의 촉매 작용에 중요한 역할을 한다는 것이 이론적으로, 또 실험적으로 꾸준히 검증되어 왔습니다. 금속 효소에서는 금속 원자의 정적 전자 상관과 주변 환경의 비결합적 정전기 상호작용이 모두 중요하게 작용합니다. 다참조 양자화학 방법론과 분자 역학 방법론을 결합하여, 전자 상관과 정전기적 상호작용 사이의 "gap"을 메우고자 합니다. 주변 환경의 영향에 따른 전자 구조의 변화에 대한 분석을 진행하여, 중심의 금속 원자에 따라 반응 메커니즘이 바뀌는 효소나 마이오글로빈 등의 기체 분자 결합 메커니즘에 주요한 역할을 하는 것이 금속 원자인지, 단백질 환경인지를 이해하고자 합니다.
기계학습을 통한 분자 동역학 시뮬레이션을 이용한 광동역학 연구
분자 동역학 시뮬레이션은 반응 메커니즘을 알아내는 데에 가장 직접적인 정보를 제공할 수 있습니다. 그러나, 특히 반응이 일어나는 계에 대하여 분자 동역학 시뮬레이션을 하는 것은 계산 시간의 문제로 상당히 제한되어 있는 것이 현실입니다. 우리는 기계학습 방법론을 개발하지는 않지만, 양자화학에 기계학습 방법론을 접목시켜 들뜬 상태 분자 동역학 시뮬레이션의 속도를 향상시키는 연구를 하고자 합니다.
공동 연구
충북대학교 화학과, 더 나아가 대한민국 화학계에는 세계 최고 수준의 연구 역량을 가진 분광학, 유/무기/분석화학 연구실들이 있습니다. 위의 독자적 연구 이외에도, 이들 연구 그룹과의 양자화학 및 통계열역학적 이론화학 방법론을 이용한 협업을 통하여 지금까지의 방법론으로는 설명이 힘들었던 화학적/물리학적 현상들을 해명해 나가고자 합니다. 생명과학 분야에서도 이론 시뮬레이션을 통하여 규명할 수 있는 현상들을 설명하고자 합니다.
Our research is gratefully funded by:
Research Accomplishments
Analytical Gradient Theory for Quantum Chemistry Methods.
I formulated the analytical derivative coupling for the multistate CASPT2 theory, which has been sought for many years. The algorithm was optimized so that the gradient is about as thrice as expensive compared to the energy case. As CASPT2 is generally cheaper than MRCC or MRCI while still including dynamical correlations, I expect that this theory will be routinely used for performing classical or quantum dynamics simulations of photodynamics. See J. Chem. Theory Comput. 13, 2561 (2017) and J. Chem. Theory Comput. 13, 3676 (2017).
I also developed theories and computer codes for analytical gradients of NEVPT2 and its multistate extension (QD-NEVPT2), extended multiconfigurational quasidegenerate perturbation theory (XMCQDPT2), and multireference driven similarity renormalization group perturbation theory (DSRG-MRPT2).
Technical details. The CASPT2 theory was developed two decades ago, but the energy nuclear gradient could not be analytically evaluated until very recently, when Dr. Matthew MacLeod and Prof. Toru Shiozaki developed automatic code-generation strategy for the CASPT2 gradient. I have derived the vibronic coupling term for this theory and implemented this in the quantum chemistry program package BAGEL, using a code generator SMITH3. I also optimized the algorithm through re-factorization.
The NEVPT2 and XMCQDPT2 theories are somewhat simpler than CASPT2, and the working expressions are mainly derived by hand.
Semi-classical Dynamics Studies of Photodynamics in Biological Systems.
I studied photodynamics in biological systems, such as fluorescent proteins, using molecular dynamics (MD) simulations with nonadiabatic transitions. By developing new computational algorithms, I made it possible to perform classical trajectory calculations over a microsecond in electronically excited states. Interesting physical phenomena in the fluorescent proteins, such as the origin of the spectral shift and high-yield fluorescence in these proteins, were revealed by computational studies. For example, see Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 3944 (2016) and J. Am. Chem. Soc. 138, 13619 (2016).
Technical details. When investigating the light-involved phenomena, the description of the excited state is required. Quantum mechanical construction of excited state potential energy surfaces (PES), on which the atoms in the molecules move on, is computationally demanding. To circumvent this issue, I have developed a method called IM/MM (combined interpolated mechanics/molecular mechanics). In IM/MM, the potential energy surface of the "important" region in the system is calculated by interpolation of the potential energies, while the rest of the system is described by the conventional molecular-mechanics force field. This method has been extended to treat multiple electronic states and semiclassical dynamics via diabatization.