Describing a metal-solution interface is one of the major interests in many applications, for example, energy storage devices, catalysts, and therapeutics. For the adsorption of biomolecules with considerable dipole moments the surface polarization is not negligible. However, the consideration of polarization effects at metal surfaces requires quantum mechanical calculations, which demand high computational costs. In this work, we developed a method to create an electron density map of a metal surface by employing the concept of polarization density. Based on the results from density functional theory (DFT) methods, we pre-defined a polarizability tensor field on a rectangular real-space grid. The polarizability tensor field adequately describes polarization density, electron density, and electrostatic stabilization energy induced by an external charge close to the metal surface. The advantage of our method is that we can get a map of electron density without repetitive quantum mechanical calculations. Therefore, the method we suggested readily extends to introduce polarization effects to molecular dynamics simulations of metal-solution interfaces, with minimal extra computational costs.
금속-용액 계면을 모사하는 것은 에너지 저장 장치, 촉매, 그리고 치료법 개발 같은 다양한 활용 분야에 있어서 주요 관심사이다. 충분한 쌍극자 모멘트를 가진 생체 분자 흡착의 경우 표면 편극의 효과를 무시할 수 없다. 그러나 금속 표면의 편극 효과를 모사하는 데에는 많은 계산량을 필요로 하는 양자 역학 계산이 필요하다. 이 연구에서는 편극 밀도의 개념을 도입해서 금속 표면의 전자 밀도 분포를 구할 수 있는 방법을 개발하였다. 밀도 범함수 이론 방법 계산 결과에 근거해서 실제 공간 직교 격자 상에 편극률 텐서장을 정의하였고, 이 편극률 텐서장이 금속 표면에 근접한 외부 전하에 의해서 유도되는 편극 밀도, 전자 밀도, 그리고 정전기적 안정화 에너지를 적절하게 기술하는 것을 확인하였다. 이 연구에서 제시한 방법은 반복적인 양자 역학 계산 없이 전자 밀도 분포를 구할 수 있기 때문에 금속-용액 계면의 분자 동역학 계산에 최소한의 계산량으로 편극 효과를 반영하는 데에 바로 확장될 수 있다.
