Échantillonnage d’une Interface de catalyseur hétérogène eau/métal à l’aide de la théorie fonctionnelle de la densité et de champs de Force dynamique moléculaire multi-échelles

Les modèles protocolaire, les phénomènes thermiques et quantiques dans la catalyse hétérogène de phase liquide. Il est le premier, à notre connaissance, à intégrer la mécanique quantique avec un échantillonnage complet d’un environnement liquide explicite. Les configurations des molécules liquides générées par ce protocole représentent celles attendues dans des conditions réelles de réaction et peuvent être utilisées pour explorer des phénomènes de niveau moléculaire qui dépendent des arrangements spatiaux des molécules.

Les configurations des molécules liquides générées par ce protocole donnent un aperçu des rôles que le solvant joue sur la catalyse hétérogène de phase liquide. Si vous essayez ce protocole pour la première fois, je vous recommande d’abord de vous assurer que vous avez accès au logiciel VASP, MCPliQ, VMD et LAMMPS et pouvez l’exécuter. Tianjun Xie, un étudiant diplômé de mon laboratoire, démontrera la procédure.

Après avoir généré la structure adsorbate, générer les fichiers d’entrée LAMMPS pour une simulation NPT et équilibrer le volume cellulaire à l’aide de FFMD. Copiez le fichier d’entrée LAMMPS dans l’annuaire de travail. Modifier la variable du groupe sur la ligne 34 pour indiquer les indices de type atome pour les atomes d’oxygène de l’eau et d’hydrogène de l’eau.

Dans la variable de groupe sur la ligne 35, pour indiquer les index de type atome pour les atomes de platine et d’adsorbate. Sur la ligne 17 du fichier d’entrée, modifiez la variable d’étape d’exécuter pour définir la durée de la simulation NPT suffisamment longtemps pour comprendre une course d’équilibrage et un run de production. Exécutez le logiciel LAMMPS, en tapant la commande à l’interface de la ligne de commande, qui inclut les informations sur le nombre de cœurs CPU à utiliser et le nom du LAMMPS exécutable.

La minimisation de l’énergie affine la configuration de la molécule d’eau et est suivie d’une simulation FFMD effectuée à un nombre constant de molécules d’eau, de volume et de température pour amener l’eau à la température de simulation. Une autre simulation FFMD est ensuite exécuté à un nombre constant de molécules d’eau, la pression et la température pour déterminer la hauteur physiquement correcte de la boîte de simulation. Les fichiers de sortie seront utilisés ultérieurement.

Après la simulation du TNP, tracez la hauteur de la supercellule avec le temps. Le point où il se stabilise à une valeur d’état stable est le point dans la simulation NPT lorsque la production peut commencer. Vérifiez l’équilibre de la simulation du TNP en vous assurant que les fluctuations de la hauteur de la supercellule sont minimes ou ont convergé vers une valeur stable.

Si de grandes fluctuations se produisent, ouvrez l’entrée. fichier équil et diminuer le délai sur la ligne 92 pour régénérer la configuration de la molécule d’eau et exécuter le logiciel LAMMPS comme avant. Pour commencer, tapez à l’interface de la ligne de commande pour exécuter le script.

Ce script produit la hauteur moyenne des supercellulaires de la partie d’exécuter la production de la simulation NPT à un fichier TXT. Le script lit la longueur de la dimension z de la cellule à intervalles de 1000 femtosecondes, qui est l’intervalle par défaut pour imprimer des informations dans LAMMPS. Si un intervalle d’impression différent est souhaité, il peut être modifié par l’édition de la ligne 20 du get_npt_lz.

py script et la ligne 16 de l’entrée LAMMPS. fichier équil. Le script détecte et rejette les deux premières nanosecondes de valeur de lz, car elles constituent la partie d’équilibrage de la simulation.

La durée de l’exécuter d’équilibrage peut être modifiée par l’édition de la ligne 19 du fichier. Les trois nanosecondes restantes constituent la partie de production et sont ainsi utilisées pour calculer la longueur moyenne de la dimension z. En outre, le script produit un autre fichier TXT qui fournit des valeurs de lz en fonction du timestep ainsi qu’un fichier PNG, qui trace les mêmes données.

Le tracé peut être utilisé pour vérifier l’équilibrage de la simulation du TNP. Pour reconstruire la supercellule à l’aide de la hauteur moyenne déterminée dans le TNP, copiez le fichier de données précédemment généré en un nouvel annuaire de travail et renommez-le sous le nom de data.myadsorbate. Modifiez ensuite le nouveau fichier de données pour changer zlo à 0,0 et zhi à la valeur lz à partir de la sortie de valeur moyenne dans le fichier TXT.

Copiez le fichier d’entrée LAMMPS dans le nouveau répertoire de travail. Modifier la variable du groupe sur la ligne 32 pour indiquer les indices de type atome pour les atomes d’oxygène d’eau et d’hydrogène de l’eau et la variable du groupe sur la ligne 33 pour indiquer les indices de type atome pour les atomes de platine et d’adsorbate. Ensuite, sur la ligne 16, modifiez la variable runStep de sorte qu’elle soit suffisamment longue pour comprendre une course d’équilibrage et un run de production.

Tapez la commande pour exécuter LAMMPS dans l’interface de la ligne de commande pour exécuter le logiciel LAMMPS. Cela permettra d’exécuter une simulation NVT constante sur les molécules d’eau, et le fichier de sortie clé est généré. La simulation NVT comprend une partie d’équilibrage et une partie de production.

La partie de production commence lorsque l’énergie du système tracée par rapport aux niveaux de temps hors tension. Pour commencer, ouvrez le script à vie de liaison hydrogène. Modifiez la variable de démarrage réelle sur la ligne 22 pour définir l’échéancier du premier délai.

Modifiez la variable timestep de la ligne 23 pour définir la fréquence à écrire des images au fichier de trajectoire LAMMPS. Modifiez les variables N_first et N-last sur les lignes 24 et 25 pour définir les premier et dernier pas, et modifiez la variable nevery sur la ligne 26 pour définir si les cadres consécutifs sont considérés ou ignorés. Définissez le nombre de lignes par section d’image du fichier de trajectoire en changeant la variable de ligne d’image sur la ligne 27.

En outre, modifier les lignes 31 à 35, pour spécifier quels types d’atomes dans les données. le fichier myadsorbate appartiennent à l’adsorbate, et quels types d’atome appartiennent aux molécules d’eau. Le script analyse les configurations de l’eau dans la série de production et détermine si des molécules d’eau sont collées à l’adsorbate.

Il compte ensuite le temps de simulation pendant que chaque liaison hydrogène reste intacte et signale cette information comme une distribution des durées de vie de liaison hydrogène en unités de picosecondes. LAMMPS écrit la configuration des molécules d’eau au fichier toutes les 1000 femtosecondes, ce qui est la valeur par défaut dans le fichier d’entrée LAMMPS fourni. Il détecte et rejette les deux premières nanosecondes de configurations dans le fichier car elles constituent la partie d’équilibrage de la simulation et utilise les trois nanosecondes restantes pour calculer les durées de vie des liaisons hydrogène.

Pour exécuter le script, tapez à l’interface de la ligne de commande. Il génère alors un fichier DAT. Tracez les données dans le fichier pour afficher la distribution des durées de vie des liaisons hydrogène qui se sont produites pendant la simulation NVT.

Pour déterminer l’incrément de temps à utiliser pour l’intervalle d’échantillonnage du temps, utilisez un incrément de temps supérieur ou égal à la durée de vie maximale de liaison hydrogène. Déterminer le nombre de configurations à partir de l’exécuter de production de la trajectoire FFMD NVT pour échantillonner de telle sorte que le temps minimum entre les configurations soit égal ou supérieur à l’intervalle d’échantillonnage de temps identifié précédemment. Sur le script d’extraction de trame précédemment écrit, modifiez la valeur par défaut pour le nombre d’images variables sur la ligne 21 pour spécifier le nombre de configurations à extraire.

Pour exécuter le script, tapez le nom du script à l’interface de la ligne de commande. Cela permettra de produire une liste des temps de simulation correspondant aux configurations qui doivent être extraites du fichier de simulation NVT. Ces configurations peuvent être utilisées comme structures de départ dans des simulations AIMD ou QM.

Dans cette procédure, FFMD a été utilisé pour générer la configuration initiale des molécules d’eau. La simulation AIMD montre qu’une molécule d’eau qui est à l’origine collée à l’hydrogène à une adsorbate d’alcool de sucre sur une surface platinum-111 extrait l’hydrogène de l’adsorbate d’alcool et dépose un deuxième hydrogène sur la surface platinum-111. Les structures des molécules d’eau liquide dépendent des paramètres d’entrée.

Les fixer incorrectement peut avoir des influences involontaires sur les structures de l’eau. Dans ce chiffre, le côté gauche est la structure de départ d’une course FFMD. Et le côté droit est à moins d’une picoseconde du démarrage de la simulation.

La simulation FFMD explose en raison de réglages de force inphysiquement importants, ce qui fait que les molécules d’eau s’éloignent de la surface. Les configurations peuvent être utilisées dans la mécanique quantique, ou simulation QMM, ou elles pourraient être utilisées pour analyser des statistiques liées aux positions spatiales des molécules. Cette technique ouvre la voie aux chercheurs pour explorer les rôles que les environnements de réaction liquide ont sur la catalyse en générant des configurations réelles de molécules liquides à des interfaces catalytiques.