Muestreo multiescala de una heterogénea agua Metal catalizador interfaz utiliza teoría del funcional densidad y campo de fuerza dinámica Molecular

Los modelos de protocolo, fenómenos térmicos y cuánticos en la catálisis heterogénea en fase líquida. Es el primero, a nuestro conocimiento, en incorporar la mecánica cuántica con un muestreo completo de un entorno líquido explícito. Las configuraciones de moléculas líquidas generadas a partir de este protocolo representan las esperadas en condiciones reales de reacción y se pueden utilizar para explorar fenómenos a nivel molecular que dependen de las disposiciones espaciales de las moléculas.

Las configuraciones de moléculas líquidas generadas por este protocolo proporcionan información sobre el papel que desempeña el disolvente en la catálisis heterogénea de fase líquida. Si está probando este protocolo por primera vez, le recomiendo que primero se asegure de que tiene acceso y puede ejecutar el software VASP, MCPliQ, VMD y LAMMPS. Demostrando el procedimiento será Tianjun Xie, un estudiante graduado de mi laboratorio.

Después de generar la estructura de adsorbato, genere los archivos de entrada LAMMPS para una simulación NPT y equilibre el volumen de la celda mediante FFMD. Copie el archivo de entrada LAMMPS en el directorio de trabajo. Edite la variable de grupo en la línea 34 para indicar los índices de tipo átomo para los átomos de oxígeno de agua y hidrógeno de agua.

En la variable de grupo de la línea 35, para indicar los índices de tipo de átomo para los átomos de platino y adsorbato. En la línea 17 del archivo de entrada, edite la variable de paso de ejecución para establecer la duración de la simulación NPT el tiempo suficiente para comprender una ejecución de equilibrio y una ejecución de producción. Ejecute el software LAMMPS, escribiendo el comando en la interfaz de línea de comandos, que incluye la información del número de núcleos de CPU a utilizar y el nombre del ejecutable LAMMPS.

La minimización de energía refina la configuración de la molécula de agua y es seguida por una simulación FFMD realizada en número constante de moléculas de agua, volumen y temperatura para llevar el agua a la temperatura de simulación. Otra simulación FFMD se ejecuta a un número constante de moléculas de agua, presión y temperatura para determinar la altura físicamente correcta de la caja de simulación. Los archivos de salida se utilizarán más adelante.

Después de la simulación NPT, trazar la altura de la supercélula contra el tiempo. El punto en el que se nivela a un valor de estado estable es el punto en la simulación NPT cuando la producción puede comenzar. Verifique el equilibrio de la simulación NPT asegurándose de que las fluctuaciones en la altura de la supercélula sean mínimas o hayan convergido a un valor constante.

Si se producen grandes fluctuaciones, abra la entrada. equil y disminuya el paso de tiempo en la línea 92 para regenerar la configuración de la molécula de agua y ejecutar el software LAMMPS como antes. Para comenzar, escriba en la interfaz de línea de comandos para ejecutar el script.

Este script genera la altura media de la supercélula desde la parte de ejecución de producción de la simulación NPT a un archivo TXT. El script lee la longitud de la dimensión z de la celda en intervalos de 1.000 femtosegundos, que es el intervalo predeterminado para imprimir información en LAMMPS. Si se desea un intervalo de impresión diferente, se puede cambiar editando la línea 20 del get_npt_lz.

py script y la línea 16 de la entrada LAMMPS. archivo equil. El script detecta y descarta los dos primeros nanosegundos de valores lz, ya que comprenden la parte de equilibrio de la simulación.

La duración de la ejecución de equilibrio se puede cambiar editando la línea 19 del archivo. Los tres nanosegundos restantes comprenden la parte de producción y, por lo tanto, se utilizan para calcular la longitud media de la dimensión z. Además, el script genera otro archivo TXT que proporciona valores de lz como una función del paso de tiempo, así como un archivo PNG, que traza los mismos datos.

La gráfica se puede utilizar para verificar el equilibrio de la simulación NPT. Para reconstruir la supercélula utilizando la altura media determinada en NPT, copie el archivo de datos generado anteriormente en un nuevo directorio de trabajo y cámbiele el nombre a data.myadsorbate. A continuación, edite el nuevo archivo de datos para cambiar zlo a 0.0 y zhi al valor lz de la salida de valor promedio en el archivo TXT.

Copie el archivo de entrada LAMMPS en el nuevo directorio de trabajo. Edite la variable de grupo en la línea 32 para indicar los índices de tipo de átomo para los átomos de hidrógeno de agua y oxígeno y agua y la variable de grupo en la línea 33 para indicar los índices de tipo de átomo para los átomos de platino y adsorbato. A continuación, en la línea 16, edite la variable runStep para que sea lo suficientemente larga como para comprender una ejecución de equilibrio y una ejecución de producción.

Escriba el comando para ejecutar LAMMPS en la interfaz de línea de comandos para ejecutar el software LAMMPS. Esto ejecutará una simulación NVT constante en las moléculas de agua, y se genera el archivo de salida clave. La simulación NVT comprende una porción de equilibrio y una porción de producción.

La parte de producción comienza cuando la energía del sistema se traza contra los niveles de tiempo desactivados. Para empezar, abra el script de vida útil del enlace de hidrógeno. Cambie la variable de inicio real en la línea 22 para establecer el paso de tiempo del primer período de tiempo.

Cambie la variable de paso de tiempo en la línea 23 para establecer la frecuencia con la que se escriben las tramas en el archivo de trayectoria LAMMPS. Cambie N_first y N-last variables en las líneas 24 y 25 para establecer el primer y último pasos de tiempo, y cambie la variable nevery en la línea 26 para establecer si los fotogramas consecutivos se consideran o se omiten. Establezca el número de líneas por sección de fotograma del archivo de trayectoria cambiando la variable de línea de marco en la línea 27.

Además, edite las líneas 31 a 35, para especificar qué tipos de átomos dentro de los datos. archivo de miadsorbate pertenecen al adsorbato, y qué tipos de átomos pertenecen a las moléculas de agua. El script analiza las configuraciones de agua en la ejecución de producción y determina si alguna molécula de agua está unida al adsorbato.

A continuación, cuenta el tiempo de simulación que cada enlace de hidrógeno permanece intacto e informa de esta información como una distribución de la vida útil de los enlaces de hidrógeno en unidades de picosegundos. LAMMPS escribe la configuración de moléculas de agua en el archivo cada 1.000 femtosegundos, que es el valor predeterminado en el archivo de entrada LAMMPS proporcionado. Detecta y descarta las primeras dos configuraciones de nanosegundos en el archivo, ya que comprenden la parte de equilibrio de la simulación y utiliza los tres nanosegundos restantes para calcular la vida útil del enlace de hidrógeno.

Para ejecutar el script, escriba en la interfaz de línea de comandos. A continuación, genera un archivo DAT. Trazar los datos en el archivo para ver la distribución de la duración de los enlaces de hidrógeno que se produjo durante la simulación NVT.

Para determinar el incremento de tiempo que se utilizará para el intervalo de muestreo de tiempo, utilice un incremento de tiempo mayor o igual que la vida útil máxima del enlace de hidrógeno. Determine el número de configuraciones de la ejecución de producción de la trayectoria NVT FFMD para muestrear de modo que el tiempo mínimo entre configuraciones sea igual o mayor que el intervalo de muestreo de tiempo identificado anteriormente. En el script de extracción de fotogramas escrito anteriormente, edite el valor predeterminado de la variable de número de fotogramas en la línea 21 para especificar el número de configuraciones que se va a extraer.

Para ejecutar el script, escriba el nombre del script en la interfaz de línea de comandos. Esto generará una lista de tiempos de simulación correspondientes a las configuraciones que se deben extraer del archivo de simulación NVT. Estas configuraciones se pueden utilizar como estructuras iniciales en simulaciones AIMD o QM.

En este procedimiento, SE utilizó FFMD para generar la configuración inicial de moléculas de agua. La simulación AIMD muestra que una molécula de agua que originalmente está unida al hidrógeno a un adsorbato de alcohol a azúcar en una superficie de platino-111 abstrae el hidrógeno del adsorbato de alcohol y deposita un segundo hidrógeno en la superficie platino-111. Las estructuras de las moléculas de agua líquida dependen de los ajustes de entrada.

Establecer estos incorrectamente puede tener influencias involuntarias en las estructuras de agua. En esta figura, el lado izquierdo es la estructura inicial para una ejecución FFMD. Y el lado derecho está dentro de un picosegundo de iniciar la simulación.

La simulación FFMD explota debido a ajustes de fuerza poco físicamente grandes, haciendo que las moléculas de agua se alejen lejos de la superficie. Las configuraciones se pueden utilizar en la mecánica cuántica, o simulación QMM, o podrían utilizarse para analizar estadísticas relacionadas con las posiciones espaciales de las moléculas. Esta técnica allana el camino para que los investigadores exploren las funciones que los entornos de reacción líquida tienen en la catálisis mediante la generación de configuraciones reales de moléculas líquidas en interfaces catalíticas.