백무현 연구실은 양자화학 계산과 실험을 융합하여 복잡한 화학 반응의 분자 수준 메커니즘을 규명하는 데 중점을 두고 있습니다. 전통적으로 촉매 반응의 메커니즘을 밝히는 것은 실험적으로 매우 어렵고 모호한 경우가 많았으나, 본 연구실에서는 고성능 양자화학 계산을 통해 반응 경로, 전이상태, 중간체의 구조와 에너지를 정밀하게 예측합니다. 이를 통해 촉매의 활성 부위, 반응 선택성, 전자 구조 변화 등 미시적 현상을 분자 단위로 해석할 수 있습니다. 특히, 전이금속 유기화학 및 유기금속 촉매 반응에서 나타나는 다양한 선택성(chemo-, regio-, stereoselectivity) 현상에 대한 이론적 분석과 실험적 검증을 병행합니다. 예를 들어, C-H 활성화, 카보사이클화, 산화환원 촉매, 전기화학적 반응 등에서 촉매의 구조적·전자적 요인이 반응 경로에 미치는 영향을 체계적으로 규명하고 있습니다. 이러한 연구는 새로운 촉매 설계와 기존 촉매의 성능 개선에 직접적으로 기여합니다. 이러한 연구 성과는 세계적으로 권위 있는 학술지에 다수 게재되었으며, 실제로 촉매의 반응 효율, 선택성, 내구성 향상에 있어 실질적인 설계 지침을 제공하고 있습니다. 궁극적으로 본 연구실은 계산화학과 실험화학의 경계를 허물며, 미래 촉매화학의 패러다임을 선도하고 있습니다.

백무현 연구실은 전기-유도 효과(electro-inductive effect)라는 새로운 개념을 제시하여, 전극을 활용한 분자 반응성의 정밀 제어 분야를 개척하였습니다. 기존에는 분자의 반응성을 조절하기 위해 다양한 작용기를 도입하는 방식이 일반적이었으나, 본 연구실에서는 분자를 전극 표면에 고정시키고 전압을 가함으로써 전극 자체를 가변적인 전자적 작용기로 활용할 수 있음을 실험적으로 입증하였습니다. 이러한 접근법은 유기합성, 촉매반응, 표면화학 등 다양한 분야에서 분자의 반응속도, 선택성, 반응 경로를 실시간으로 조절할 수 있는 혁신적인 방법론을 제공합니다. 예를 들어, 전극에 부착된 분자의 전자 밀도와 오비탈 에너지가 전압에 따라 변화함에 따라, 산-염기 반응, 금속 촉매 반응, 크로스 커플링 등에서 반응성이 극적으로 달라질 수 있음을 밝혔습니다. 또한, 이러한 효과를 정량적으로 예측하기 위해 분수 전하 밀도 범함수 이론(FC-DFT) 등 새로운 계산화학 방법론을 개발하여, 실험 결과와 이론적 예측의 정합성을 높이고 있습니다. 이 연구는 전기화학적 촉매, 인공 광합성, 에너지 변환 소재 개발 등 차세대 화학공정 및 소재과학 분야에 응용될 수 있는 잠재력이 매우 큽니다. 전극을 통한 분자 반응성 제어는 기존 화학 합성의 한계를 뛰어넘는 새로운 플랫폼을 제시하며, 미래 지향적 융합 연구의 대표적 성공 사례로 평가받고 있습니다.