DFT-CES: a mean-field QM/MM for solid-liquid interface 

Difficulties in simulating the solid-liquid interface stem from its intrinsic heterogeneity. Due to the low structural symmetry of the liquid phase and the importance of liquid dynamics, liquid phase simulation often requires substantial sampling in the temporal and spatial dimensions. For the solid phase, electronic structure emerging from the highly symmetric arrangement of atoms in the lattice is often of great interest. Hence, classical molecular dynamics (MD) simulation has been widely employed for understanding liquid structure and dynamics, while density functional theory (DFT) has been a powerful method to explore the electronic and chemical properties of the solid phase.

고체-액체 계면을 모델링하는 일은 시뮬레이션 방법론적인 입장에서 도전적인 문제입니다. 액체의 경우에는 보통 구조적, 동역학적인 성질을 이해하는 것이 중요하기 MD 시뮬레이션이 이러한 액체 특성을 이용하는데 유용한 방법임에 비해, 고체의 경우에는 반복적인 원자 배열에서 기인하는 전자 밴드 구조의 이해와 표면에서의 화학 반응이 중요한 경우가 많기 때문에 DFT가 중요한 고체 시뮬레이션 방법론으로 자리잡고 있습니다.

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Our group thus develops a multiscale simulation method to investigate chemical details at the solid-liquid interface. We have developed a grid-based mean-field QM/MM method, namely DFT-CES (density functional theory in classical explicit solvent). Unlikely to the conventional QM/MM, DFT-CES employs a mean-field coupling of the QM and MM regions, which allows timescales to be decoupled at two different levels, and thus large-scale simulations become available.

이에 본 연구실에서는 고체-액체 계면 시뮬레이션을 위한 멀티스케일 시뮬레이션 방법을 개발하는 연구를 진행 중입니다. 고체 상은 DFT로 양자역학적으로 기술하면서도, 액체 상은 MD 시뮬레이션을 통해 동역학 시뮬레이션을 할 수 있는 방법인 DFT-CES라는 방법을 개발해 오는 일을 하고 있습니다. 

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Of particular, we apply DFT-CES to investigate electrochemical interfaces. Under a finite bias potential, highly complicated phenomena occur at the electrode-electrolyte interfaces, governing the electrochemistry. Accordingly, we pursue an atomic-level understanding of the electrochemical interfaces, and design new electrocatalysis based on fundamentals.

특히 DFT-CES를 이용하여 전기화학적 계면 현상을 이해하는 연구를 활발히 하고 있습니다. 전압이 걸려 있는 상태에서 전극과 전해질 계면에서는 다양한 물리/화학적 현상이 일어나고, 이는 궁극적으로 전기화학 반응의 반응성을 결정합니다. 본 연구실에서는 이러한 전기화학 계면을 원자 수준에서 이해하고, 이를 바탕으로 더 나아가 신재생 에너지에 중요한 전기화학 촉매를 설계하는 연구를 수행하고 있습니다.

Relevant publications:

1. Method development + hydration free energy application (hydrophilic solutes)

A Seamless Grid-based Interface for Mean-field QM/MM Coupled with Efficient Solvation Free Energy Calculations
H-K Lim, H Lee, H Kim*, J. Chem. Theory Comput., 12(10), 5088-5099

2. Hydration free energy application (hydrophobic solutes)

Hydration Thermodynamics of Non-Polar Aromatic Hydrocarbons: Comparison of Implicit and Explicit Solvation Models
H Lee, H-K Lim*, H Kim*, Molecules, 23(11), 2927 

3. Pi-pi hydrophobic interaction in water

Enthalpy-Entropy Interplay in π-Stacking Interaction of Benzene Dimer in Water
H Lee, F Dehez, C Chipot, H-K Lim*, H Kim*, J. Chem. Theory Comput., 15(3), 1538-1545

4. Graphene surface wetting 

Multiscale Simulation Method for Quantitative Prediction of Surface Wettability at the Atomistic Level
S Gim, H-K Lim*, H Kim*, J. Phys. Chem. Lett., 9, 1750-1758

5. Water at various metal interfaces

Structure, Dynamics, and Wettability of Water at Metal Interfaces
S Gim, KJ Cho, H-K Lim*, H Kim*, Sci. Rep., 9, 14805

6. Electrocatalysis application (CO2 reduction)

Insight into the Microenvironments of the Metal–Ionic Liquid Interface during Electrochemical CO2 Reduction
H-K Lim, Y Kwon, HS Kim, J Jeon, Y-H Kim, J-A Lim, B-S Kim, J Choi*, H Kim*, ACS Catal., 8, 2420-2427