Motivation 

Chemo-physical processes at the interface of dissimilar materials and phases of matter are often very exotic compared to what happens in the bulk phase. The solid-liquid interface is ubiquitous in a variety of interesting systems that are relevant to heterogeneous catalysis, electrochemistry, fluid transport, and others, which are all of great technological importance in our daily lives. Notably, solid-liquid interfaces are at the heart of the current climate change and renewable energy technologies. This is because the interface enables (1) energy inter-conversion processes, (2) sequential electron/charge transfers, (3) multistep catalytic reaction pathways, and so on. However, because of their high degree of complexity and the difficulty of experimental characterization, few molecular details of these solid-liquid interfaces are known, which impedes their further development and optimization of the chemistry at the interface.

불균일 촉매나 전기화학적 에너지 변환/저장 등의 현상을 이해하고 설계하기 위해서는 서로 다른 물질의 계면에서 일어나는 물리화학적 현상을 이해하는 것이 매우 중요합니다. 예를 들어 계면에서는 (1) 복잡한 에너지 변환 과정이나 (2) 전자 전달 현상, (3) 여러 단계의 촉매 반응 등이 복합적으로 일어나기 때문에 기능성 에너지 소재를 이해하고 설계하기 위해서는 계면에서의 화학을 이해하는 것이 필수적입니다.

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Unlike a bare surface, the interface is unexposed and thereby difficult to directly observe and experimentally characterize. Consequently, theory and computation play a pivotal role in elucidating the structural and dynamical properties of material interfaces and provide a wealth of understanding of the complex material properties. 

 

이러한 중요도에도 불구하고 계면을 이해하고 연구하는 일은 매우 어렵습니다. 특히, "계면"은 그 특성상 "표면"과 달리 노출되어 있지 않기 때문에 이를 직접적으로 관측하고 실험적으로 연구하기가 어렵습니다. 따라서 이론/계산 화학 방법이 이러한 소재 계면 연구에 매우 중요한 역할을 할 수 있으며, 소재 계면의 구조적, 동역학적 성질을 밝혀서 복잡한 소재 물성을 이해하고 예측하는데 유용하게 사용될 수 있습니다.

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From the theory side, the intrinsic heterogeneity of material interface (or interphase) often invokes many challenges.

 

Thus, our group develops multiscale simulation methods to investigate various complex interfaces, and applies them to design new materials based on a firm mechanistic understanding at a molecular level.

그렇지만 계면의 물리화학 현상을 이해하는 일은 이론/계산 화학 연구에 있어서도 마냥 쉬운 일이 아닙니다. 보통 각 시스템이 가지고 있는 특성에 따라 적용가능한 이론과 시뮬레이션 방법이 달라질 수 밖에 없는데, inter"face" 혹은 inter"phase"라는 말이 의미하듯이 계면에는 언제나 상이한 두 개 이상의 시스템이 공존하기 때문에 적절한 방법론을 찾기가 어려운 경우가 많습니다.

이에 우리 연구실에서는 다양하고 복잡한 계면 현상에 적용 가능한 멀티스케일 시뮬레이션 방법을 개발하고, 이를 적용하여 소재 계면 현상을 분자 수준에서 이해하여 새로운 촉매 및 재료를 설계하는 연구를 하고 있습니다.

What we are currently working on:

DFT-CES development

Development of a multiscale simulation method for solid-liquid interfaces

uMBD development

Development of a materials-ready dispersion correction method for DFT

Catalysts design from theory

Computational design of new heterogeneous and electrochemical catalysts

Photoactive materials

Computational design of new photovoltaic and photocatalytic materials