Spectra vibratoire d'une interface N719-Chromophore/Titania de la simulation de dynamique moléculaire empirique-potentielle, résolue par un liquide ionique de température ambiante
25 janvier 2020
Une cellule solaire sensible à la teinture a été résolue par les RTIL; à l'aide de potentiels empiriques optimisés, une simulation de dynamique moléculaire a été appliquée pour calculer les propriétés vibratoires. Les spectres vibratoires obtenus ont été comparés à la dynamique moléculaire d'expérience et d'ab initio ; divers spectres empiriques potentiels montrent comment la paramétrisation de charge partielle du liquide ionique affecte la prédiction des spectres vibratoires.
Ce protocole traite de la façon dont les approches empiriques potentielles peuvent être adaptées pour répondre à la prédiction raisonnable et raisonnable des propriétés structurelles et vibratoires des systèmes prototypiques de cellules solaires sensibilisées aux colorants. Ceci est important en raison de la réduction stupéfiante des approches de coûts de calcul avec la possibilité de diverses approches d’échantillonnage. Pour effectuer une simulation dynamique moléculaire, ouvrez le fichier logiciel DL_POLY simulation et utilisez le champ de force bien validé de Lopez, et al.
pour détendre la configuration du liquide ionique à température ambiante par le biais de potentiels empiriques. Ensuite, utilisez le champ de force Matsui-Akaogi, y compris la mobilité de la Titania dans le processus de relaxation pour modéliser l’anatase. Pour effectuer une optimisation de la géométrie avec un gradient conjugué minimisant le gradient relatif de terminaison de 0,0001, spécifiez l’optimisation dans le fichier de champ pendant 15 picosecondes avec un arrêt d’un temps femtoseconde à 300 Kelvin dans un ensemble NVT.
Pour exécuter DL_POLY sur le terminal, entrez DL_POLY. X.In le fichier de contrôle, spécifiez Nose-Hoover pour NVT et optez pour l’impression de trajectoire de vitesse de position chaque femtoseconde. Pour la surface de l’anatase, assurez-vous qu’elle est périodique le long des axes de laboratoire x et y projetant aux liquides ioniques à température ambiante une paire de surfaces parallèles avec un axe x de 21 angstroms et un axe y de 21 angstroms.
Assurez-vous que le système de cellules solaires sensibilisés à la teinture avec un solvant explicite est composé de 827 atomes. Pour le cas en vacuole, il devrait y avoir 347 atomes dans le système. Dans le fichier de champ pour les paramètres Lennard-Jones, appliquez Lorentz-Berthelot combinant les règles et entrez la moyenne arithmétique du radii Lennard-Jones et la moyenne géométrique des profondeurs du puits Lennard-Jones pour les champs de force empiriques dans la section inférieure du fichier de champ sous l’onglet interactions non collées.
Pour manipuler les électrostatiques à longue portée, appliquez la méthode Ewald à l’aide d’une longueur de coupure non collée de 10 angströms et définissez le paramètre réel de décomposition de l’espace pour la méthode Ewald dans le fichier de commande à environ 3,14 par longueur de coupure non collée. Sélectionnez ensuite le nombre de vecteurs d’ondes Ewald pour assurer une tolérance relative dans l’évaluation ewald d’une fois 10 à la cinquième négative dans le fichier de contrôle. Effectuer une série d’évaluations énergétiques potentielles avec un fichier REVCON rebaptisé config jusqu’à ce que la pression du système dans la sortie converge vers quelques pour cent pour sélectionner la durée de coupure non collée.
À partir du fichier historique, utilisez la vitesse diatomée Python séparée. py dans le terminal pour extraire les vitesses individuelles x, y et z à chaque étape. Pour calculer la fonction de corrélation automatique de vitesse, utilisez vacf151005.
py et entrez classical_dye_autocore. sh dans le terminal. La fonction de corrélation automatique de vitesse sera calculée pour tous les diatomées.
Pour calculer les spectres de la dynamique moléculaire, utilisez un Fourier Transform pondéré en masse de la fonction de corrélation automatique à vitesse atomique du colorant, utilisez Python MWPS. py et entrez run_all_4. sh dans le terminal.
Les spectres de puissance pondérés en masse seront calculés. Pour évaluer les ensembles de changements partiels dans les liquides ioniques de température ambiante pour la simulation dynamique moléculaire de base potentielle impériale pour une comparaison prête les uns avec les autres, préparez un tableau des charges documentaires et entrez ce tableau dans le format de fichier de champ pour DL-POLY. Pour calculer les charges liquides ioniques de température ambiante Mulliken, en moyenne plus de quatre points de la trajectoire de dynamique moléculaire ab-initio, re-normaliser et préparer un tableau des charges de la littérature et entrer le tableau dans le format de fichier sur le terrain pour DL-POLY.
Pour effectuer l’analyse EHT, en moyenne plus de quatre points de la trajectoire de dynamique moléculaire ab-initio tel que mis en œuvre dans le logiciel d’environnement d’exploitation moléculaire. Re-normaliser et préparer un tableau des frais de littérature et entrer sur le terrain dans le format de fichier sur le terrain pour DL-POLY. Ici, des motifs de liaison représentatifs des quatre ensembles de charge partiels différents après 15 picosecondes de dynamique moléculaire sont montrés.
Pour les charges dérivées de la littérature comme démontré, une interaction importante de liaison d’hydrogène avec un proton de surface peut être observée. Cependant, les trois ensembles de charge dérivés de la dynamique moléculaire ab-initio ne présentent pas une interaction coulombique aussi forte avec un proton de surface. En effet, la plus petite ampleur des charges partielles dans le cas dérivé de littérature comparée à ceux échantillonnés de diverses manières de la dynamique moléculaire d’ab-initio mène à moins d’ampleur du blindage de charge par rapport aux charges liquides ioniques partielles de température ambiante de plus grande ampleur.
Fait intéressant, l’ensemble de charge dérivé mulliken montre un certain pliage soutenu du colorant d’avoir un lien d’hydrogène important avec un atome d’oxygène de pontage à la surface de l’anatase. La charge de meilleure qualité s’adapte à partir de la dynamique moléculaire ab-initio conduire à des motifs de liaison N719 plus réalistes qui sont en accord avec pev basé sur la dynamique moléculaire Born-Oppenheimer avec dispersion Grimme-D3. Les résultats spectraux pondérés en masse de la fonction spectrale de la fonction de corrélation automatique de vitesse de dynamique ab-initio ont démontré un amas de pics spectroscopiques à la région de 300 à 400 centimètres.
Les principaux sommets présents dans les spectres classiques sont à 600 et 800 centimètres pour les charges dérivées de la littérature, 525 et 800 centimètres pour les charges Mulliken, 675, 810 et 900 centimètres pour les charges EHT, et 650, 800 et 900 centimètres pour l’ensemble de charge Hirshfeld. Assurez-vous de vérifier la structure initiale de la géométrie de la Titania dans toutes les directions. Pour optimiser, le champ de force peut être utilisé pour évaluer le potentiel empirique des spectres vibratoires comme prévu pour la dynamique moléculaire.
la dynamique moléculaire ab-initio est une stratégie efficace et prometteuse. L’utilisation de la dynamique moléculaire est également susceptible d’être importante dans la simulation permettant de colorant-sensibilisé prototype de cellules solaires
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Aperçu
Cet article présente un protocole détaillé utilisant des simulations de dynamique moléculaire (MD) basées sur des potentiels empiriques pour prédire les propriétés structurales et vibratoires des interfaces de cellules solaires sensibilisées par colorant (DSC), en se concentrant spécifiquement sur le colorant N719 adsorbé sur du TiO2 anatase et solvaté par un liquide ionique à température ambiante (RTIL). L'étude évalue comment différentes paramétrisations des charges partielles du RTIL influencent les prédictions des spectres vibratoires, en comparant les résultats de la MD empirique avec des données de dynamique moléculaire ab initio (AIMD) et des données expérimentales.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Chimie physique
- Chimie computationnelle
- Science des matériaux
- Simulation moléculaire
Contexte
- La prédiction précise des spectres vibratoires pour les surfaces de métalloxydes photoactives avec des colorants adsorbés est difficile.
- Les cellules solaires sensibilisées par colorants (DSC) sont prometteuses pour la conversion de l'énergie solaire, leur performance étant influencée par les propriétés de l'interface.
- Les liquides ioniques à température ambiante (RTIL) sont utilisés comme électrolytes dans les DSC, modifiant les interactions entre le colorant et la surface.
- La dynamique moléculaire avec potentiels empiriques offre une efficacité calculatoire, mais nécessite une paramétrisation et une validation rigoureuses.
Objectif de l'étude
- Évaluer la précision des dynamiques moléculaires empiriques dans la prédiction des spectres vibratoires et des propriétés structurales des interfaces DSC.
- Étudier l'impact de différents jeux de charges partielles des liquides ioniques à température ambiante (RTIL) sur les prédictions des spectres vibratoires.
- Comparer les résultats de la dynamique moléculaire empirique avec ceux de la dynamique moléculaire ab initio (AIMD) et des spectres expérimentaux afin de les valider.
Méthodes utilisées
- Simulations de dynamique moléculaire utilisant DL_POLY avec des champs de force validés (Lopez et al. pour les liquides ioniques à température ambiante, Matsui-Akaogi pour l'anatase TiO2).
- Optimisation de la géométrie et simulations en ensemble NVT à 300 K.
- Application des règles de combinaison de Lorentz-Berthelot pour les paramètres de Lennard-Jones et de la méthode d'Ewald pour les interactions électrostatiques à longue portée.
- Extraction des vitesses atomiques et calcul des fonctions d'autocorrélation des vitesses.
- Transformation de Fourier des fonctions d'autocorrélation des vitesses pondérées par la masse afin d'obtenir les spectres vibratoires.
- Comparaison des spectres à l'aide de différents jeux de charges partielles (issus de la littérature, Mulliken, EHT, Hirshfeld) dérivés de dynamique moléculaire ab initio et de la littérature.
Résultats principaux
- Les simulations MD empiriques avec différents jeux de charges de RTIL produisent des spectres vibratoires et des motifs de liaison distincts à l'interface DSC.
- Les charges issues de la littérature montrent une forte liaison hydrogène avec les protons de surface, tandis que les charges dérivées de l'AIMD conduisent à des motifs de liaison plus réalistes et à une réduction du blindage des charges.
- Les spectres vibratoires obtenus par MD empirique présentent des pics principaux à différentes fréquences selon le jeu de charges, les spectres AIMD affichant un groupe de pics dans la région 300–400 cm-1.
- Un ajustement et une validation soigneux des champs de force empiriques permettent une prédiction raisonnable des propriétés vibratoires de la DSC.
Conclusions
- La dynamique moléculaire avec potentiels empiriques, lorsqu'elle est correctement paramétrée et validée, s'avère efficace pour prédire les spectres vibratoires des interfaces de DSC.
- Le paramétrage des charges partielles des liquides ioniques de type RTIL influence de manière significative les propriétés et spectres interfaciaux prédits.
- La combinaison de la dynamique moléculaire empirique avec la dynamique moléculaire ab initio (AIMD) et la validation expérimentale améliore la fiabilité de la modélisation des interfaces photo-actives.
Questions fréquemment posées
Pertinence professionnelle pour l'industrie
La prédiction précise des spectres vibratoires aux interfaces colorant/oxyde métallique est essentielle pour réduire les risques liés aux matériaux en phase précoce de développement dans les domaines de la recherche énergétique et optoélectronique. Ce protocole montre comment la dynamique moléculaire basée sur des potentiels empiriques, lorsqu'elle est rigoureusement paramétrée et validée, peut fournir des informations prédictives sur les propriétés interfaciales à une fraction du coût computationnel des méthodes ab initio. Ces capacités permettent de tester rapidement des hypothèses et d'effectuer un tri efficace des portefeuilles de nouveaux matériaux et interfaces photoactifs.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmaceutique
Découverte précoce et validation de cibles
- Permet d'interroger les interactions moléculaires et les motifs de liaison à l'interface, pertinents pour la performance des matériaux fonctionnels.
- Contribue à l'analyse mécanistique des risques en clarifiant l'impact de la paramétrisation des charges sur les spectres prédits et la structure de l'interface.
- Facilite une prédiction fiable dans le choix des matériaux et les décisions préliminaires de poursuite ou d'abandon pour le prototypage de dispositifs.
Développement de criblages et de tests
- Prépare des modèles computationnels validés pour le criblage ultérieur de combinaisons colorant-surface et électrolyte.
- Standardise les sorties de simulation afin de garantir la reproductibilité et la comparaison croisée avec les spectres expérimentaux.
- Permet une évaluation évolutive de jeux de paramètres, soutenant des flux de travail de criblage computationnel à haut débit.
Recherche translationnelle et préclinique
- Aligne les prédictions computationnelles avec des références expérimentales et ab initio, soutenant une continuité translationnelle de la simulation à la validation en laboratoire.
- Offre un cadre pour l'avancement ajusté au risque des matériaux candidats fondé sur des sorties spectrales quantitatives.
- Réduit les incertitudes mécanistiques dans la conception des interfaces avant un agrandissement expérimental coûteux.
Intégration des pipelines et des flux de travail
Ce protocole de simulation s'inscrit dans la continuité allant de la découverte à la préclinique, en reliant les tests d'hypothèses computationnelles et la validation expérimentale pour les matériaux avancés.
- Biologie de la découverte : Permet de tester des hypothèses sur les effets de charge à l'interface et les motifs de liaison au niveau moléculaire.
- Écrantage : Fournit des spectres vibrationnels quantitatifs et reproductibles pour l'évaluation comparative de jeux de paramètres.
- Analytique : Offre des lectures spectrales pondérées par la masse et des analyses de corrélation automatique de vitesse afin de prendre des décisions solides fondées sur les données.
- Recherche translationnelle : Garantit la continuité en confrontant les prédictions empiriques aux données ab initio et expérimentales.
- Réutilisation en entreprise : Met en place un flux de travail de simulation réutilisable, adaptable à d'autres systèmes de colorants, de surfaces et d'électrolytes.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Accroît la confiance prédictive et réduit l'ambiguïté mécanistique dans la conception d'interfaces.
- Valeur opérationnelle : Permet des flux de travail computationnels standardisés, évolutifs et reproductibles.
- Valeur stratégique : Améliore l'efficacité du capital et soutient de meilleures décisions d'aller/arrêt dans les chaînes de développement de matériaux.
- Impact sur le portefeuille : Facilite la priorisation et l'avancement, ajustés au risque, des matériaux candidats.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en simulation moléculaire, en paramétrage des champs de force et en analyse spectrale.
- Suppose un accès à une infrastructure informatique haute performance et à des logiciels de simulation validés (par exemple, DL_POLY).
- Exige une standardisation rigoureuse entre équipes des jeux de paramètres et des formats de données.
- L'adaptation à de nouveaux systèmes nécessite une attribution soigneuse des charges et une validation par rapport à des données expérimentales ou ab initio.
- Les limites incluent la sensibilité à la qualité du champ de force et la nécessité de benchmarks continus.
