소재를 구성하는 가장 기본 단위는 물질을 구성하는 원자다. 원자가 쌓이고 움직여 다니며 상호작용해서 만드는 것이 소재의 물성이다. 이를 파악하면 소재를 어떤 분야에 응용할지 결정할 수 있다. 하지만 1 나노미터(nm·10억 분의 1m)도 채 되지 않는 원자의 움직임을 따라가면서 그 특성까지 결정하는 일은 쉽지 않다.

신소재공학과 이동화 교수가 이끄는 전산나노소재 연구실은 원자의 움직임을 컴퓨터 계산으로 일일이 찾아내고 있다. 원자의 특성을 계산으로 밝혀내 소재 물성을 분석하고 분석된 물성을 바탕으로 소재를 여러 응용분야에 최적화하는 연구를 수행한다. 연구실은 주로 원자 속에서도 전자의 움직임에 집중해 전자가 소재 속에서 움직이는 것과 분포를 확인해 소재의 물성을 알아낸다.

전자의 움직임을 파악하는 데는 양자역학을 활용하는 제일원리 계산법이 쓰인다. 제일원리계산은 기본 물리법칙과 상수만으로 원자나 전자의 움직임을 계산하는 방법이다. 정확도와 효율성이 입증되며 최근 각광받고 있다. 수많은 전자가 담긴 소재에서 전자들의 상호작용을 파악하려면 엄청난 계산 능력이 필요하다. 연구실은 2500개 컴퓨터 코어를 연결해 만든 슈퍼컴퓨터 클러스터로 소재의 비밀을 하나하나 풀고 있다.

소재에서 새로운 물성을 파악하면 응용 분야를 찾는다. 지금까지 연구실에서 발견한 새로운 소재들은 에너지, 배터리, 연료전지, 태양전지 등 다양한 분야에 적용됐다. 지난해 9월에는 구리를 바탕으로 하는 페로브스카이트 물질이 낮은 온도에서 빛을 잘 통과시키는 것을 발견해 이를 스마트 윈도우에 적용하는 방법을 국제학술지 ‘미국화학회지’에 발표하기도 했다.

계산으로 소재의 물성을 알아내면 수많은 실험을 통해 하나의 소재를 찾아내는 인고의 시간을 줄일 수 있다. 연구실은 여기에 만족하지 않고 더욱 효율적으로 빠르게 소재 성능을 밝혀내는 연구를 진행하고 있다. 제일원리가 밝혀낸 소재 데이터들을 기계학습을 적용해 학습함으로써 소재 발견 방법을 최적화해 물질의 조성이나 첨가 원소를 찾는 연구도 활발하다.