AI 알고리즘, 나노다공성 물질 탐색과 설계의 더 나은 방법 제시
언젠가 나노다공성 물질은 대기 중 이산화탄소나 메탄을 흡수하는 것부터 연료로 쓰이는 기체 수소를 저장하고 공기 중 독성 화합물을 검출하는 일까지, 사회가 직면한 가장 심각한 문제 일부를 해결할 수 있을 것입니다.
나노미터 크기의 미세한 기공 덕분에 이 물질은 지속 가능성과 관련된 다양한 용도에 유용하지만, 화학자들이 실험실에서 분자 하나하나를 만들어야 하기 때문에 개발 과정이 번거롭고 비용도 많이 듭니다.
워싱턴주립대학교와 오리건주립대학교 연구진은 수천 개의 가능한 분자 설계를 빠르게 좁혀 최소한의 비용과 노력으로 최적의 설계를 찾는 20고개 게임 방식의 독자적인 컴퓨터 알고리즘을 개발했습니다. 연구 결과는 Molecular Systems Design and Engineering Journal에 게재되었습니다.
“핵심 과제는 나노다공성 물질이 여러 화학 원소의 혼합물이어서 최적의 조합을 찾아야 한다는 점입니다. 나노다공성 물질은 잠재적인 분자 구성 요소와 구조가 매우 다양하며 거의 무한히 섞을 수 있습니다. 매번 이러한 원소와 구조의 새로운 배합을 실험실에서 시험한다면 비용이 매우 많이 들기 때문에, 계산 문제는 관심 있는 특성을 지닌 원소의 올바른 조합을 결정하는 방법입니다. 바로 여기에서 우리의 AI 기반 알고리즘 연구가 유용하게 쓰입니다”
개념 검증 연구에서 과학자들은 온실가스로서 지구 온난화를 부추기는 강력한 메탄을 흡수하는 데 가장 적합한 나노다공성 물질 후보를 골랐습니다. 가능한 후보 120개만 평가했을 뿐인데도, 70,000개 물질 라이브러리에서 이미 알려진 최적 후보를 찾아냈으며, 전통적인 알고리즘보다 훨씬 좋은 성능을 보였습니다.
“나노다공성 물질(NPM)은 다양한 기체를 저장하고 포집하며 검출하는 데 사용할 수 있습니다. 흡착 문제를 고려하면, 우리는 종종 최적의 흡착 특성을 가진 물질을 라이브러리에서 찾고자 합니다. NPM 합성과 기체 흡착 측정은 실험실에서 하든 시뮬레이션으로 하든 비용이 많이 들어, 철저한 탐색을 가로막는 경우가 많습니다”라고 연구에 쓰여 있습니다.
연구 저자이자 전기컴퓨터공학부 부교수인 야나 도파는 “아리안의 알고리즘은 더 적은 평가로 최고의 물질을 찾을 수 있게 해 줍니다”라고 말했습니다. 이 알고리즘이 잘 작동하는 이유 중 하나는 물질의 3차원 구조를 고려하기 때문입니다.
“우리는 조금 더 스마트한 탐색을 시도하고 있는데, 기존에 쓰이던 방법들은 물질의 구조와 특성 사이의 관계 모델을 활용하려 하지 않았습니다. 우리는 미지의 물질의 특성을 예측할 수 있고 불확실성을 잘 보정하는 통계 모델을 명시적으로 구축합니다. 이는 모르는 것을 안다는 뜻이며, 그래서 공간을 탐색할 때 무작위가 아니라 훨씬 합리적인 방식으로 탐색할 수 있습니다”
알고리즘은 새로운 물질 반복마다 등장하면서 사실상 가상 실험을 수행했고, 구조와 특성 관계에 대한 이해를 갱신한 뒤 그 결과를 바탕으로 다른 나노다공성 물질을 선택했습니다.
이제 연구진은 방법론을 더욱 자동화하고 일반화하는 것을 목표로 하고 있습니다. 이들은 2021년 신경정보처리시스템 학회(NeurIPS)에서 발표될 새 논문에서 이 목표를 향한 근본적인 진전을 이미 이루었습니다. 과학자들은 이 독자적인 알고리즘을 산업 공정에 쓰이는 촉매 개발처럼 다른 유형의 실제 응용 분야에서도 탐색을 개선하는 데 활용하기를 기대하고 있습니다.
나노다공성 물질은 기공 크기가 나노 범위(약 1~100 nm)에 있는 기공을 포함한 물질입니다. 이 용어는 물질의 특정 특성(감지, 흡착, 촉매, 확산 등)이 나노기공의 존재와 관련이 있음을 나타내기 위해 사용됩니다. 알려진 대부분의 막, 흡착제, 촉매가 이러한 물질에 해당합니다.
자연에 존재하는 나노다공성 물질은 많지만, 인공적으로 만들 수도 있습니다. 이를 위해서는 서로 다른 녹는점을 가진 고분자를 결합하여 가열할 때 한 고분자가 분해되도록 합니다. 기공 크기가 같은 다공성 물질은 특정 물질만 통과시키고 다른 물질은 차단하는 성질을 가집니다.
나노다공성 물질은 방독면, 잠수함과 유인 우주정거장의 자급식 생명 유지 시스템에 쓰입니다. 또한 공기와 물에서 오염물질(특히 화학 및 세균 독성 물질)을 정밀하게 걸러내는 필터에도 사용될 수 있습니다. 물질이 효과적으로 작동하려면 서로 연결되지 않은 기공과 통로가 유체가 통과할 수 있는 연결된 경로를 형성하기 시작하는 퍼콜레이션 한계를 넘어서는 것이 중요합니다.
