عينات متعددة النطاقات من "واجهة محفز" المياه/المعادن غير المتجانسة باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية وديناميات الجزيئية القوة الميدانية
أبريل 12, 2019
وهدف البروتوكول المعروضة هنا هو توليد وعينه مسارات تكوينات جزيئات الماء السائل حول الأنواع الحفاز على سطح مسطح انتقال معدن. يمكن استخدام التكوينات عينات كبداية الهياكل في الأساليب المستندة إلى ميكانيكا الكم.
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.
نظرة عامة
يعرض هذا البروتوكول طريقة لتوليد وعينات تكوينات جزيئات الماء السائل حول الأنواع الحفازة على سطح معدني انتقالي مسطح. يجمع بين ميكانيكا الكم مع عينات كاملة لبيئة سائلة صريحة، مما يوفر رؤى حول ظواهر على المستوى الجزيئي في التحفيز غير المتجانس.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- التحفيز غير المتجانس
- ميكانيكا الكم
- محاكاة الطور السائل
الخلفية
- فهم دور المذيبات في التحفيز أمر حاسم لتحسين التفاعلات.
- غالبًا ما تتجاهل الطرق التقليدية النمذجة الصريحة للبيئات السائلة.
- يهدف هذا البروتوكول إلى سد الفجوة من خلال دمج الظواهر الحرارية والكمومية.
- يسمح باستكشاف الترتيبات الجزيئية في ظروف تفاعل واقعية.
هدف الدراسة
- لتوليد تكوينات واقعية لجزيئات الماء حول الأنواع الحفازة.
- لاستخدام هذه التكوينات في طرق مستندة إلى ميكانيكا الكم.
- لتعزيز فهم تأثيرات المذيبات في التحفيز غير المتجانس في الطور السائل.
الطرق المستخدمة
- استخدام برامج VASP وMCPliQ وVMD وLAMMPS للمحاكاة.
- توليد ملفات إدخال LAMMPS لمحاكاة NPT وNVT.
- تعادل حجم الخلية ودرجة حرارة المحاكاة من خلال محاكاة FFMD.
- تحليل عمر الروابط الهيدروجينية في تشغيل الإنتاج.
النتائج الرئيسية
- الجيل الناجح لتكوينات الماء التي تحاكي ظروف التفاعل الفعلية.
- رؤى حول استقرار وديناميكات الروابط الهيدروجينية بين الماء والممتصات.
- التحقق من التعادل في محاكاة NPT من خلال قياسات الارتفاع.
- ملفات الإخراج التي تحتوي على متوسط ارتفاع الخلية الفائقة وتوزيعات عمر الروابط الهيدروجينية.
الاستنتاجات
- يقوم البروتوكول بشكل فعال بنمذجة تفاعلات الماء السائل مع الأسطح الحفازة.
- يوفر إطارًا لدراسات مستقبلية حول تأثيرات المذيبات في التحفيز.
- يمكن أن تفيد النتائج في تصميم عمليات تحفيزية أكثر كفاءة.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
This protocol enables biopharma R&D teams to model solvent effects at catalytic interfaces with molecular-level accuracy, supporting target validation in heterogeneous catalysis. By integrating force-field sampling with quantum mechanics, it provides predictive confidence in mechanistic de-risking for liquid-phase reaction systems. The approach aids in early discovery by clarifying how solvent molecules participate in bond-breaking and forming processes relevant to catalytic pathways.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by modeling how water molecules interact with catalytic species on metal surfaces.
- Operational Value: Supports biological de-risking through explicit sampling of liquid configurations that reflect actual reaction conditions.
- Predictive Value: Enhances target confidence by identifying solvent participation in catalytic decompositions, such as glycerol-derived intermediates.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream workflows by generating configurations of liquid water molecules suitable for quantum mechanics-based analysis.
- Operational Value: Addresses assay standardization and reproducibility through equilibrated NPT simulations and hydrogen bond lifetime analysis.
- Screening Readiness: Outputs configurations that can be used as starting structures for AIMD or QM simulations, enabling reliable compound evaluation.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Connects discovery through preclinical validation by providing a framework to explore solvent effects in liquid-phase heterogeneous catalysis.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports mechanistic de-risking by identifying how H₂O molecules participate in catalytic pathways, informing go/no-go decisions.
- Predictive De-risking: Focuses on reducing mechanistic ambiguity in catalytic systems where solvent dynamics influence reaction outcomes.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from hypothesis testing to lead identification by enabling mechanistic insights into solvent-catalyst interactions under realistic conditions.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by modeling thermal and quantum phenomena in liquid-phase heterogeneous catalysis.
- Screening: Describes assay readiness through the generation of liquid configurations that can be used in quantum mechanics-based methods such as DFT or ab initio molecular dynamics.
- Analytics: Highlights quantitative outputs such as hydrogen bond lifetime distributions and average supercell height, which help teams compare solvation effects across conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by providing a reusable framework for studying solvent effects in catalysis, relevant to biomarker alignment in metabolic pathways.
- Enterprise Reuse: Positions the method as a reusable capability for generating liquid configurations across multiple catalytic systems, reducing redundant simulation efforts.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target validation, reduction of mechanistic ambiguity in solvent-catalyst interactions.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of liquid-phase simulations through defined equilibration and production protocols.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced late-stage biological risk by clarifying solvent roles early in discovery.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization and advancement decisions based on mechanistic insights into catalytic intermediates under liquid conditions.
Implementation Considerations
- Required scientific expertise in computational chemistry, molecular dynamics, and quantum mechanics-based simulations.
- Instrumentation and analytical infrastructure needs include access to VASP, MCPliQ, VMD, and LAMMPS software for FFMD and QM workflows.
- Cross-team standardization requirements involve consistent editing of group variables and run step variables in LAMMPS input files to ensure reproducibility.
- Adaptation considerations across model systems include modifying atom type indexes for different adsorbates and metal surfaces, such as platinum-111 with glycerol-derived intermediates.
- Practical limitations include sensitivity to force field settings; improper input settings can lead to unphysically large forces and simulation instability, as observed in FFMD blow-up scenarios.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Title
0:51
Add Explicit H2O Molecules
3:12
Extract the Proper Height of the Supercell
5:06
Generate Configurations of H2O Molecules
6:10
Determine the Hydrogen Bond Lifetime for Proper Time Sampling
8:23
Sample Configurations of Liquid H2O Molecules
9:19
Results: FFMD/AIMD Simulation
10:21
Conclusion
