서울대학교 자연대 물리학과 졸업. 한국과학기술원 박사. 금오공과대학 교수 역임. 영국 브래드포드 대학 방문 연구원 및 미국 조지아 공과대학 방문 교수 역임. 현재 경기대학교 물리학과 교수. 저서로는 『비선형 시계열 분석과 예측』 외 다수의 논문이 있다.

제1장에서는 물질의 상태와 그것을 이해하기 위한 방법에 대해 살펴본다. 먼저 제1절에서 물질의 구성과 상태 변화 과정과 그 미시적 설명에 대해 알아보는 것으로 시작한다. 열역학적 상태에 따른 물질의 상태 변화를 상그림(phase diagram)으로 나타내어 상공존, 상전이 현상 등을 알아본다. 특히, 우리가 많이 다루려는 액체계의 특성을 확인한다. 제2절에서는 모형에 대한 의미를 살펴보고, 셈틀 시늉 연구 방법을 이론 연구와 실험 연구 방법의 특성과 비교하여 살펴본다. 셈틀 시늉을 해야만 하는 필요성을 설명한 후, 셈틀 시늉의 특성에 대해서 간략히 기술한다. 셈틀 시늉의 기본은 실제 물리계를 시늉하는 계를 만드는 것이다. 따라서 셈틀 시늉에서는 입자들을 어떤 물리 규칙 아래에서 움직이도록 한다. 사실 셈틀 시늉 방법은 1950년대에 들어 셈틀의 속도와 용량이 어느 한계를 넘었을 때에 비로소 시작되었다. 지금은 유용한 결실을 많이 얻게 되었다. 이러한 성공으로 다체계(many-body system)에 대한 수치 해석에서뿐만 아니라 이전에 이론이나 실험에서 결코 예측할 수 없었던 개념이나 사실을 얻게 되었다. 제3절에서는 확률 과정에 따라 셈틀 시늉을 하는 방법인 몬테카를로 방법을 개략적으로 설명한다. 이외에도 브라운 동역학과 랑제방(Langevin) 동역학에 대해서도 간단히 살펴보다. 페르미 등의 비선형 사슬 문제, 알더와 바인라이트에 의한 분자 동역학 초기 연구 등 셈틀 시늉에서 나타내는 중요한 발전 과정을 간단하게 살펴본다.

제2장에서는 분자 동역학에 필요한 기초 지식을 정리해 본다. 먼저 제1절에서 분자 동역학 시늉에서 고전 어림을 하여도 되는 당위성을 확인한 후에 뉴턴과 해밀턴의 역학 체계에 대해 알아본다. 이어 위상 공간에 대한 정의와 위상 공간에서 위상점들의 분포에 관한 리우빌 정리(Liouville theorem)를 살펴본다. 또 동역학계를 분류하는 것에 대해서도 살펴본다. 이어 입자들 간의 부딪힘에 의한 위상 궤적의 불안정성에 대해서도 살펴본다. 제2절에서는 통계 역학에서의 기본 용어, 개념과 방법을 간단히 살펴본다. 거시 열역학적 계를 기술하기 위한 깁스의 앙상블(Gibb‘s ensemble)에 대해 정의하고 미시정준 앙상블(microcanonical ensemble), 정준 앙상블(canonical ensemble)의 방법과 그 수식화에 대해 알아본다. 미시계에 대한 가역 운동 방정식에 서 어떻게 해서 거시계를 지배하는 방정식에 비가역성이 나타나는지에 대해서도 알아본다. 거시계의 열역학적 평균, 요동과 확률 분포에 대해서도 알아본다. 제3절에서는 기체 분자의 운동론과 수송 이론의 기본에 대해 간단히 알아본다. 아울러 유체 역학에 대해서도 설명한다. 마지막 절에서는 셈틀 처리에서 필연적으로 나타나는 오차 발생과 셈법(algorithm)에 대해 살펴본다. 또 분자 동역학에서 많이 사용되는 셈틀 언어의 특성에 대해서도 간략하게 살펴본다.

제3장에서는 분자 동역학의 기본 방법에 대해 살펴본다. 가장 중요한 것은 분자 사이의 상호작용을 어떻게 선택할 것인가이다. 제1절에서는 분자 사이의 상호작용과 관련되는 일반적인 사항을 설명한 후, 레나드 존스(Lennard-Jones) 퍼텐셜 모형의 여러 가지 특성을 살펴본다. 레나드 존스 환원 단위(reduced unit)계에 대해 설명한다. 이어 다원자 분자계에 대한 유효 퍼텐셜을 결정하는 방법을 알아본다.
제2절에서는 연속 상호작용 계에 적용되는 분자 동역학 셈법에 대해 구체적으로 알아본다. 운동 방정식은 미분 방정식 형태로 적어지나 셈틀에서는 유한 차이 방법을 사용하게 된다. 기본적인 오일러 방법을 비롯해서 대표적인 버렛, 리만, 비만, 기어 등의 방법들에 대해 상세히 알아본다. 또 이러한 방법들에 따라 생기는 오차와 셈법의 안정성에 대해 알아본 후, 셈법의 신뢰성을 평가하는 것에 대해서도 알아본다. 계산 시간을 줄이기 위한 버렛의 부기(book-keeping) 방법과 연결방 리스트(linked-cell list) 방법들이 소개된다. 비김 분자 동역학의 초기 조건과 경계 조건, 비김되기(equilibration) 과정, 자료 얻는 과정 등에 대해서도 자세히 알아본다.

제3절에서는 고전 단순 액체계에 대한 거시적 성질을 조사하기 위해서 필요한 작업들에 대해 알아본다. 기본적인 열역학적 성질, 짝상관 함수(pair correlation function) 등에 대한 계산 방법과 그 결과를 보인다. 먼저 보존 원리에 따른 적당한 앙상블 선택과 그에 따른 측정값을 취하는 샘플링(sampling) 방법에 대해 설명한다. 이와 아울러 초기의 입자 배열 위치와 배치 속도에 대한 설명과 초기 상태에서 비김 상태에 도달하는 과정에 대해 설명한다. 다음으로는 주기 경계 조건, 공모양 경계 조건 등에 대해 설명하고, 이에 따른 퍼텐셜의 끊어내기에 대해 설명한 후 그 오차를 보정하는 방법을 설명한다.
제4절에서는 딱딱입자계에 대해 구체적으로 알아본다. 딱딱입자계에 대한 특성을 살펴본 후, 딱딱공 입자의 부딪힘 운동학과 부딪힘 시간 계산 등을 비롯한 딱딱공 시늉 셈법에 대해 자세히 설명한다. 또 이것의 확장으로 딱딱공에 연속 꼬리 퍼텐셜이 붙는 경우에 적용할 수 있는 셈법에 대해서도 알아본다. 이어 제5절에서는 비뉴턴 분자 동역학 방법(non-Newtonian molecular dynamics)에 대해 알아본다. 다양한 상태의 계의 성질을 조사하기 위해서 고안된 등온/등압 분자 역동학과 등온 등압 분자 동역학 등에 대해 소개한다.

제4장에서는 안비김 분자 동역학(nonequilibrium molecular dynamics)에 대해 알아본다. 안비김 상태를 유지하기 위해 외부에서 작용하는 힘과 마구잡이 형태의 온도 조절기(thermostat)를 비롯한 안비김 경계 조건에 대해 알아본다. 안비김 분자 동역학을 이용하여 시간에 따른 물질의 상태 변화를 추적할 수 있는 강점에 대해 강조하고, 시간 상관 함수, 퍼짐 곁수, 층밀리기 속쓸림(shear viscosity) 등의 동역학적 성질의 계산에 대해 알아본다.

제5장에서는 분자 동역학의 응용을 살펴본다. 먼저 응용 주제에 대한 선택은 저자의 개인적 취향과 경험에 바탕을 두고 있기 때문에 다소 주관적이고 제한적이라는 점을 밝힌다. 제1절에서는 단순 유체계의 경우에 다양한 퍼텐셜에 따른 물성을 조사하는 것이다. 제2절에서는 2차원 레나드 존스 계의 상전이 문제를 살펴본다. 제3절에서는 단순 액체의 유리 전이에 관련된 문제를 살펴본다. 제4절에서는 안비김 분자 동역학에 의한 단순 액체의 층밀리기 흐름 효과를 알아본다. 제5절에서는 고체-액체 계면과 액체-기체 계면의 특성에 대한 조사와 기판 위에서의 물질의 성질 변화에 대한 연구 방법과 결과를 알아본다. 제6절에서는 양자계에 적용되는 여러 가지 방법에 대해 알아보고, 밀도 범함수(density function) 분자 동역학과 처음부터(ab initio) 분자 동역학 방법에 대해서도 언급한다. 제7절에서는 알갱이계의 흐름 동역학에 대해 알아보고, 마지막으로 제8절에서는 자기 마당이 걸린 단순 유체계의 동역학에 대한 연구 결과를 살펴본다.
마지막 제6장에서는 분자 동역학의 최근 경향과 향후 전망에 대해 알아본다. 먼저 제1절에서는 초셈틀의 사용으로 가능하게 된 초대형 문제를 해결하는 방법에 대해 알아보고, 병렬 셈틀과 병렬 프로그래밍의 특성 방법에 대해 소개한다. 이어 제2절에서는 분자 동역학의 산업적 응용에 대해서 살펴본다. 마지막 절에서는 향후 전망에 대해서 간단히 살펴본 후 글을 맺는다.