عينات متعددة النطاقات من "واجهة محفز" المياه/المعادن غير المتجانسة باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية وديناميات الجزيئية القوة الميدانية

نماذج البروتوكول، والظواهر الحرارية والكمومي في الحفز غير المتجانسة في المرحلة السائلة. وهو الأول، على حد علمنا، لدمج ميكانيكا الكم مع أخذ عينات كاملة من بيئة سائلة واضحة. تمثل تكوينات الجزيئات السائلة المتولدة عن هذا البروتوكول تلك الجزيئات المتوقعة في ظل ظروف التفاعل الفعلي ويمكن استخدامها لاستكشاف ظواهر المستوى الجزيئي التي تعتمد على الترتيبات المكانية للجزيئات.

تكوينات من الجزيئات السائلة التي يولدها هذا البروتوكول توفر نظرة ثاقبة في الأدوار التي تلعب المذيبات على الحفز غير متجانسة المرحلة السائلة. إذا كنت تحاول هذا البروتوكول للمرة الأولى ، فإنني أوصيك أولاً بالتأكد من أن لديك إمكانية الوصول إلى برنامج VASP و MCPliQ و VMD و LAMMPS وتشغيله. إثبات الإجراء سيكون تيانجون شي، طالب دراسات عليا من مختبري.

بعد توليد هيكل الممتزات، توليد ملفات الإدخال LAMMPS لمحاكاة NPT وتكبيل حجم الخلية باستخدام FFMD. نسخ ملف الإدخال LAMMPS في دليل العمل. تحرير متغير المجموعة على الخط 34 للإشارة إلى فهارس نوع الذرة لذرات الأكسجين والماء الهيدروجين.

في متغير المجموعة على الخط 35، للإشارة إلى فهارس نوع الذرة لذرات البلاتين والممتز. على السطر 17 من ملف الإدخال، تحرير متغير خطوة التشغيل لتعيين مدة محاكاة معاهدة عدم الانتشار لفترة طويلة بما يكفي لتضم تشغيل التوازن والإنتاج. تنفيذ برنامج LAMMPS، عن طريق كتابة الأمر في واجهة سطر الأوامر، والذي يتضمن معلومات عدد من أساسيات وحدة المعالجة المركزية لاستخدام واسم الملف التنفيذي LAMMPS.

يقلل من الطاقة إلى أدنى درجة من تكوين جزيء الماء ويتبعه محاكاة FFMD التي يتم تنفيذها بعدد ثابت من جزيئات الماء والحجم ودرجة الحرارة لجلب الماء إلى درجة حرارة المحاكاة. ثم يتم تشغيل محاكاة FFMD أخرى في عدد ثابت من جزيئات الماء والضغط ودرجة الحرارة لتحديد الارتفاع الصحيح جسديا من مربع المحاكاة. سيتم استخدام ملفات الإخراج لاحقاً.

بعد محاكاة معاهدة عدم الانتشار، رسم ارتفاع supercell مع الزمن. النقطة التي المستويات قبالة إلى قيمة ثابتة هي نقطة في محاكاة معاهدة عدم انتشار الأسلحة النووية عندما يمكن أن تبدأ الإنتاج. التحقق من توازن محاكاة معاهدة عدم الانتشار عن طريق ضمان أن تكون التقلبات في ارتفاع الخلية العظمى ضئيلة أو أن تكون قد تقاربت إلى قيمة ثابتة.

في حالة حدوث تقلبات كبيرة، افتح الإدخال. ايكيل الملف وخفض الوقت على الخط 92 لتجديد تكوين جزيء الماء وتنفيذ برنامج LAMMPS كما كان من قبل. للبدء، اكتب في واجهة سطر الأوامر لتنفيذ البرنامج النصي.

هذا السيناريو المخرجات ارتفاع الخلية المتوسطة من إنتاج تشغيل جزء من محاكاة معاهدة عدم الانتشار إلى ملف TXT. يقرأ البرنامج النصي طول البعد z للخلية في فواصل 1,000 femtosed، وهو الفاصل الزمني الافتراضي لطباعة المعلومات في LAMMPS. إذا كان هناك حاجة إلى فاصل زمني طباعة مختلف، يمكن تغييره عن طريق تحرير الخط 20 من get_npt_lz.

py النصي والخط 16 من المدخلات LAMMPS. ايكيل الملف. يكتشف البرنامج ويتخلص من أول نانو ثانية بقيمة قيم lz ، حيث أنها تشمل جزء التوازن في المحاكاة.

يمكن تغيير مدة تشغيل التوازن عن طريق تحرير سطر 19 من الملف. أما النانو ثانية الثلاثة المتبقية فتتكون من جزء الإنتاج، وبالتالي تستخدم لحساب متوسط طول البعد z. بالإضافة إلى ذلك، يقوم البرنامج النصي بإخراج ملف TXT آخر يوفر قيم lz كدالة لـ timestep بالإضافة إلى ملف PNG، والذي يرسم نفس البيانات.

ويمكن استخدام هذه المؤامرة للتحقق من توازن محاكاة معاهدة عدم الانتشار. لإعادة بناء الخلية الفائقة باستخدام متوسط الارتفاع المحدد في معاهدة عدم الانتشار، انسخ ملف البيانات الذي تم إنشاؤه سابقًا في دليل عمل جديد وتسمّه باسم data.myadsorbate. ثم تحرير ملف البيانات الجديد لتغيير zlo إلى 0.0 و zhi إلى قيمة lz من متوسط قيمة الإخراج في ملف TXT.

نسخ ملف الإدخال LAMMPS في دليل العمل الجديد. تحرير متغير المجموعة على الخط 32 للإشارة إلى فهارس نوع الذرة لذرات الأكسجين والماء الهيدروجيني والمتغير المجموعة على الخط 33 للإشارة إلى مؤشرات نوع الذرة لذرات البلاتين والممتزات. ثم على سطر 16 ، تحرير المتغير runStep بحيث يكون طويلا بما يكفي لتضم تشغيل التوازن وتشغيل الإنتاج.

اكتب الأمر لتنفيذ LAMMPS في واجهة سطر الأوامر لتنفيذ برنامج LAMMPS. هذا سيتم تشغيل محاكاة NVT ثابت على جزيئات الماء، ويتم إنشاء ملف الإخراج الرئيسي. تتكون محاكاة NVT من جزء توازن وجزء إنتاج.

يبدأ جزء الإنتاج عندما يتم رسم طاقة النظام مقابل مستويات الوقت. للبدء، افتح نص السندات الهيدروجين مدى الحياة. تغيير متغير بدء الفعلي على سطر 22 لتعيين وقت الإطار الزمني الأول.

تغيير متغير المسار الزمني على سطر 23 لتعيين عدد مرات كتابة الإطارات إلى ملف مسار LAMMPS. تغيير N_first و المتغيرات N-آخر على سطر 24 و 25 لتعيين أول وآخر وقت 22، وتغيير متغير nevery على سطر 26 لتعيين ما إذا كان يتم النظر في إطارات متتالية أو تخطي. تعيين عدد الأسطر لكل مقطع إطار من ملف المسار عن طريق تغيير متغير خط الإطار على سطر 27.

بالإضافة إلى ذلك، تحرير الأسطر من 31 إلى 35، لتحديد أي أنواع atom ضمن البيانات. تنتمي myadsorbate ملف إلى التمز، وأنواع ذرة التي تنتمي إلى جزيئات الماء. السيناريو يحلل تكوينات المياه في تشغيل الإنتاج ويحدد ما إذا كانت أي جزيئات الماء الهيدروجين المستعبدين إلى الامتزاز.

ثم يحسب وقت المحاكاة أن كل رابطة الهيدروجين لا تزال سليمة والتقارير هذه المعلومات كتوزيع عمر السندات الهيدروجين في وحدات picoseconds. LAMMPS يكتب تكوين جزيئات الماء إلى الملف كل 1000 femtoseconds، وهو الافتراضي في ملف الإدخال LAMMPS المقدمة. وهو يكتشف ويتخلص من أول اثنين نانو ثانية بقيمة التكوينات في الملف لأنها تشكل جزء التوازن من المحاكاة ويستخدم نانو ثانية الثلاثة المتبقية لحساب عمر السندات الهيدروجينية.

لتنفيذ البرنامج النصي، اكتب في واجهة سطر الأوامر. ثم يقوم بإنشاء ملف DAT. رسم البيانات في الملف لعرض توزيع العمر السندات الهيدروجين التي حدثت أثناء محاكاة NVT.

لتحديد زيادة الوقت لاستخدام الفاصل الزمني أخذ العينات الوقت استخدام زيادة وقت أكبر من أو يساوي إلى الحد الأقصى للرابط الهيدروجين. تحديد عدد التكوينات من تشغيل الإنتاج لمسار NVT FFMD إلى عينة بحيث يكون الحد الأدنى للوقت بين التكوينات يساوي أو أكبر من الفاصل الزمني لأخذ العينات الزمنية التي تم تحديدها سابقاً. على البرنامج النصي استخراج الإطار المكتوبة مسبقاً، قم بتحرير القيمة الافتراضية لعدد الإطارات المتغيرة على سطر 21 لتحديد عدد التكوينات لاستخراجها.

لتنفيذ البرنامج النصي، اكتب اسم البرنامج النصي في واجهة سطر الأوامر. هذا سوف يخرج قائمة من أوقات المحاكاة المقابلة للتكوينات التي ينبغي استخراجها من ملف المحاكاة NVT. ويمكن استخدام هذه التكوينات كهياكل بداية في محاكاة AIMD أو QM.

وفي هذا الإجراء، استُخدمت هذه الجزيئات لتوليد التكوين الأولي لجزيئات الماء. تُظهر محاكاة AIMD أن جزيء الماء الذي هو في الأصل مستعبد الهيدروجين إلى مُزدِم كحول السكر على سطح البلاتين-111 يُلخص الهيدروجين من مُزازات الكحول ويودع هيدروجين ثانٍ على سطح البلاتين-111. تعتمد هياكل جزيئات الماء السائل على إعدادات الإدخال.

وضع هذه بشكل غير صحيح يمكن أن يكون لها تأثيرات غير مقصودة على هياكل المياه. في هذا الشكل، الجانب الأيسر هو بنية البداية لتشغيل FFMD. والجانب الأيمن هو في إطار picosecond واحد من بدء المحاكاة.

وتفجر محاكاة الـ FFMD بسبب إعدادات القوة الكبيرة بشكل غير سفلي، مما يتسبب في تحرك جزيئات الماء بعيداً عن السطح. يمكن استخدام التكوينات في ميكانيكا الكم، أو محاكاة QMM، أو يمكن استخدامها لتحليل الإحصاءات المتعلقة بالمواضع المكانية للجزيئات. هذه التقنية تمهد الطريق للباحثين لاستكشاف الأدوار التي لبيئات التفاعلات السائلة على الحفز من خلال توليد التكوينات الفعلية للجزيئات السائلة في واجهات الحفاز.