Interfacial boundaries in soft and hard condensed matters play important role in governing macroscopic properties of materials due to their stability properties depending on their structures. Therefore, it is crucial to understand the physical and mechanical properties of interfacial boundaries embedded in bulk, and the interactions between different types of boundaries or between the boundaries and other defects commonly observed in condensed phase. In this thesis, we employ first-principles density functional theory to examine various physical and chemical phenomena observed at the interfacial boundaries. They are paraelectric-ferroelectric phase transition in the PVDF polymers, grain boundary segregation of alloying elements in steels, twinning deformations of magnesium alloys, and catalytic activity of gold surface containing grain boundaries for the electrochemical $CO_2$ reduction. In such studies, the correction of van der Waals interactions, of which description is often failed in density functional theory within the (semi-)local approximation of the exchange-correlation functional, is important in understanding the interatomic or intermolecular interactions. Therefore, we tested the performance of currently available density functional van der Waals correction methods for various systems covering molecular gases, molecular crystals, ionic crystals, layered materials, and bulk metallic crystals. From the tested results, we found that these methods are difficult to describe van der Waals interactions in metallic systems, and we suggested a new many-body density functional van der Waals correction method based on the smeared-dipole model to solve this problem.
응집 물질 내에 존재하는 계면들은 그 에너지적 불안정성으로 인하여 물질의 거시적인 성질에 민감하게 작용한다. 따라서, 그 성질 및 계면과 계면 혹은 계면과 물질 내의 다른 결함들과의 상호작용을 이해하는 것은 매우 중요하다. 우리는 밀도범함수 이론을 이용하여 고분자의 강유전체로의 상전이, 철강에서의 입계 편석 현상, 쌍정의 생성을 동반하는 마그네슘 합금의 변형, 금 표면에 형성된 입계의 촉매 활성화에 대한 영향과 같은 응집 물질에 존재하는 다양한 계면에서의 현상을 연구하였다. 한편, 이와 같은 연구에서 원자, 혹은 분자 간의 상호작용을 정확히 이해하기 위해서는 교환-상호작용 에너지가 국지적인 전자 밀도에만 의존하는 가정이 이용되는 기존의 밀도범함수이론에서 기술하기 어려웠던 반데르발스 상호작용의 보정이 필수적이다. 따라서 우리는 기존에 개발되어온 다양한 밀도범함수 이론 기반의 반데르발스 보정법을 기체 분자, 분자 결정, 이온성 결정, 이차원 물질, 및 금속 결정에 달하는 시스템들에 대해 테스트해 보았다. 이를 통해 기존의 방법들이 금속에서의 반데르발스 상호작용을 잘 기술하지 못하는 것을 확인하고, 이를 퍼진 쌍극자 모델을 이용해 다체 반데르발스 상호작용을 기술하여 해결할 수 있음을 제시하였다.
