利用密度泛函理论和力场分子动力学对多相水-金属催化剂接口进行多尺度采样

协议模型，热和量子现象在液相异质催化。据我们所知，这是第一个将量子力学与明确液体环境的完整采样结合在一起。从该协议生成的液体分子的配置代表了实际反应条件下的预期，可用于探索依赖于分子空间排列的分子水平现象。

该协议产生的液体分子的配置提供了溶剂在液相异质催化中所起的作用的洞察。如果您是第一次尝试此协议，我们建议您首先确保访问并可以运行 VASP、MCPliQ、VMD 和 LAMMPS 软件。演示这个程序的将是我实验室的研究生谢天军。

生成吸附结构后，生成用于 NPT 模拟的 LAMMPS 输入文件，并使用 FFMD 平衡细胞体积。将 LAMMPS 输入文件复制到工作目录中。编辑第 34 行上的组变量，以指示水氧和水氢原子的原子类型索引。

在第 35 行的组变量中，指示铂金和吸附原子的原子类型索引。在输入文件的第 17 行上，编辑运行步骤变量以设置 NPT 模拟的持续时间足够长的时间，以包括平衡运行和生产运行。通过在命令行接口键入命令来执行 LAMMPS 软件，该命令包括要使用的 CPU 内核数和 LAMMPS 可执行文件的名称。

能量最小化可优化水分子配置，然后以恒定数量的水分子、体积和温度进行 FFMD 模拟，将水带到模拟温度。然后，另一个 FFMD 模拟以恒定数量的水分子、压力和温度运行，以确定仿真盒的物理正确高度。稍后将使用输出文件。

在《不扩散条约》模拟之后，根据时间绘制超级细胞的高度。它平到稳定状态值的点是 NPT 模拟中可以开始生产时的点。通过确保超级细胞高度的波动最小或已收敛到稳定值，验证《不扩散条约》模拟的均衡性。

如果出现动，请打开输入。equil 文件并减少 92 号线的时间步长，以重新生成水分子配置，并一如同一样执行 LAMMPS 软件。首先，在命令行接口键入以执行脚本。

此脚本输出从 NPT 模拟的生产运行部分到 TXT 文件的平均超电池高度。该脚本以 1，000 femtos 间隔读取单元格的 z 维长，这是 LAMMPS 中打印信息的默认间隔。如果需要不同的打印间隔，可以通过编辑第 20 行来更改get_npt_lz。

py 脚本和 LAMMPS 输入的第 16 行。equil 文件。该脚本检测并丢弃 lz 值的前两纳秒，因为它们包括模拟的均衡部分。

可以通过编辑文件的第 19 行来更改平衡运行的持续时间。其余三纳秒包括生产部分，因此用于计算平均 z 尺寸长度。此外，脚本输出另一个 TXT 文件，该文件提供 lz 的值作为时间步数的函数以及 PNG 文件，该文件绘制相同的数据。

该图可用于验证《不扩散条约》模拟的均衡性。要使用 NPT 中确定的平均高度重建超级细胞，请将以前生成的数据文件复制到新的工作目录中，并将其重命名为 data.myadsorbate。然后编辑新数据文件以将 zlo 更改为 0.0，从 TXT 文件中的平均值输出将 lz 值更改为 lz 值。

将 LAMMPS 输入文件复制到新的工作目录中。编辑第32行的组变量，以指示水氧和水氢原子的原子类型索引，编辑第33行的组变量，以指示铂原子和吸附原子的原子类型索引。然后，在 16 行上，编辑 runStep 变量，以便其足够长的时间组成平衡运行和生产运行。

键入命令以在命令行接口中执行 LAMMPS 以执行 LAMMPS 软件。这将对水分子运行恒定的 NVT 模拟，并生成关键输出文件。NVT 仿真包括平衡部分和生产部分。

当系统的能量根据时间水平绘制时，生产部分开始。首先，打开氢键寿命脚本。更改第 22 行上的实际开始变量以设置第一个时间帧的时间步长。

更改第 23 行的时间步长变量，以设置帧写入 LAMMPS 轨迹文件的时间。更改N_first 24 和 25 行上的 1 个变量和 N-last 变量以设置第一个和最后一个时间步长，并更改第 26 行的 nevery 变量以设置是否考虑或跳过连续帧。通过更改第 27 行上的帧线变量，设置轨迹文件每个帧部分的行数。

此外，编辑行 31 到 35，以指定数据中的哪些原子类型。myadsorbate文件属于吸附，哪些原子类型属于水分子。该脚本分析生产运行中的水配置，并确定是否有任何水分子与吸附体氢粘附。

然后计算每个氢键完好无损的模拟时间，并报告此信息为氢键寿命以皮秒为单位的分布。LAMMPS 每 1，000 飞秒将水分子的配置写入文件，这是提供的 LAMMPS 输入文件中的默认值。它检测并丢弃文件中前两纳秒的配置，因为它们构成模拟的均衡部分，并使用剩余的三纳秒计算氢键寿命。

若要执行脚本，请键入命令行接口。然后生成 DAT 文件。绘制文件中的数据以查看 NVT 模拟期间发生的氢键寿命的分布。

要确定时间采样间隔使用的时间增量，请使用大于或等于最大氢键寿命的时间增量。确定 NVT FFMD 轨迹的生产运行中的配置数量，以采样，以便配置之间的最短时间等于或大于之前确定的时间采样间隔。在以前编写的帧提取脚本上，编辑第 21 行帧变量数的默认值，以指定要提取的配置数。

若要执行脚本，请在命令行接口上键入脚本名称。这将输出与应从 NVT 模拟文件中提取的配置对应的仿真时间列表。这些配置可用作 AIMD 或 QM 模拟中的起始结构。

在这个过程中，FFMD用于生成水分子的初始配置。AIMD模拟显示，最初氢粘附在铂-111表面上的糖醇吸附中的水分子从酒精吸附中提取氢气，并在铂-111表面沉积第二个氢气。液态水分子的结构取决于输入设置。

设置不当可能会对水结构产生意外影响。在此图中，左侧是 FFMD 运行的起始结构。右侧在开始模拟的一秒内。

由于物理上的大力设置，FFMD 模拟爆炸，导致水分子远离表面。这些配置可用于量子力学或 QMM 模拟，也可以用于分析与分子空间位置相关的统计数据。这项技术为研究人员探索液体反应环境在催化作用铺平了道路，在催化界面上生成液体分子的实际配置。