ויברtional ספקטרום של N719-כרומטופור/טיטניה ממשק הסימולציה מולקולארית פוטנציאלי-דינמיקה, Solvated על ידי טמפרטורת חדר הנוזל היוני
25 בינואר 2020
תא השמש לצבוע-רגישות היה solvated על ידי RTILs; תוך שימוש בפוטנציאלים אמפיריים ממוטבים, הוחלה הדמיה של דינמיקה מולקולרית לחישוב מאפיינים ויברtional. ספקטרום הרטט המתקבל הושוו עם התנסות ודינמיקה מולקולארית ab; ספקטרום הפוטנציאל האמפירי שונים מראים כיצד משתני טעינה חלקית של הנוזל היוני משפיע על תחזית ספקטרום התנודה.
פרוטוקול זה מתייחס לאופן שבו ניתן להתאים גישות פוטנציאליות אמפיריות כדי לטפל בחיזוי הסביר והסביר של תכונות מבניות ורטטיות של מערכות תאים סולריים עם רגישות לצבוע. זה חשוב בגלל גישות העלות החישובית המופחתת באופן מדהים עם האפשרות לגישות דגימה שונות. כדי לבצע סימולציה דינמית מולקולרית, פתח את DL_POLY תוכנת הסימולציה ולהשתמש בשדה הכוח מאומת היטב של לופז, ואח '.
כדי להרגיע את תצורת הנוזל היוני בטמפרטורת החדר באמצעות פוטנציאל אמפירי. לאחר מכן השתמש בשדה כוח Matsui-Akaogi כולל הניידות של הטיטאניה בתהליך הרפיה כדי מודל anatase. כדי לבצע אופטימיזציה גיאומטריה עם מזעור הדרגתי מצומד הדרגתי הדרגתי של 0.0001, ציין מיטוב בקובץ השדה עבור 15 picoseconds עם עצירת זמן femtosecond אחת ב 300 קלווין בהרכב NVT.
כדי להפעיל DL_POLY בטרמינל, הזן DL_POLY. X.In את קובץ הבקרה, ציין Nose-Hoover עבור NVT ובחר מסלול מהירות מיקום הדפסת כל femtosecond אחד. עבור פני השטח anatase, ודא שהוא תקופתי לאורך צירי מעבדת x ו- y המקרין לנוזלים יוניים בטמפרטורת החדר זוג משטחים מקבילים עם ציר x של 21 אנגסטרום וציר y של 21 אנגסטרום.
ודא כי מערכת תאי השמש רגיש צבע עם ממס מפורש מורכב 827 אטומים. במקרה vacuole, צריך להיות 347 אטומים במערכת. בקובץ השדה עבור פרמטרים לנארד-ג'ונס, להחיל לורנץ-Berthelot שילוב כללים להזין את הממוצע האריתמטי של הרדיוס Lennard-Jones ואת הממוצע הגיאומטרי של מעמקי Lennard-ג'ונס עבור שדות כוח אמפירי בחלק התחתון של קובץ השדה תחת הכרטיסייה אינטראקציות שאינן מלוכדות.
כדי לטפל באלקטרוסטטיקה לטווח ארוך, החל את שיטת אוואלד באמצעות אורך ניתוק לא מלוכדות של 10 אנגסטרום והגדר את פרמטר ריקבון החלל האמיתי עבור שיטת אוואלד בקובץ הבקרה כ- 3.14 לכל אורך ניתוק שאינו מלוכד. לאחר מכן בחר את מספר וקטור הגל של אוואלד כדי להבטיח עמידות יחסית בהערכת אוואלד של פי 10 לחמישית השלילית בתוך קובץ הבקרה. לבצע סדרה של הערכות אנרגיה פוטנציאליות עם קובץ REVCON ששמו שונה כמו config עד לחץ המערכת בפלט מתכנס בתוך כמה אחוזים כדי לבחור את אורך ניתוק שאינו מלוכדות.
מקובץ ההיסטוריה, השתמש במהירות דיאטום פייתון בנפרד. py במסוף כדי לחלץ את x בודדים, y ו z מהירות בכל שלב. כדי לחשב את פונקציית המתאם האוטומטי של המהירות, השתמש ב- vacf151005.
py ולהיכנס classical_dye_autocore. לטרמינל. פונקציית המתאם האוטומטי של המהירות ת שחושב עבור כל הדיאטומים.
כדי לחשב את הספקטרום מהדינמיקה המולקולרית, השתמש בטרנספורמציית פורייה משוקללת מסה של פונקציית המתאם האוטומטי של מהירות האטום של הצבע, השתמש ב- Python MWPS. py ולהיכנס run_all_4. בטרמינל.
ספקטרום הכוח המשוקלל ההמוני י שחושב. כדי להעריך סטים של שינויים חלקיים בנוזלים היוניים בטמפרטורת החדר עבור סימולציה דינמית מולקולרית בסיסית פוטנציאלית אימפריאלית להשוואה מוכנה זה מול זה, הכן טבלה של חיובי הספרות והזן טבלה זו לפורמט קובץ השדה עבור DL-POLY. כדי לחשב את המטענים הנוזליים של טמפרטורת החדר Mulliken, ממוצע מעל ארבע נקודות של מסלול הדינמיקה המולקולרית ab-initio, לנרמל מחדש ולהכין טבלה של חיובי הספרות ולהזן את הטבלה לפורמט קובץ שדה עבור DL-POLY.
כדי לבצע את ניתוח EHT, ממוצע מעל ארבע נקודות של מסלול ab-initio דינמיקה מולקולרית כפי שיושם בחבילת התוכנה סביבת ההפעלה המולקולרית. נרמול מחדש והכנת טבלה של חיובי הספרות והזן את השדה בתבנית קובץ שדה עבור DL-POLY. כאן מוצגים מוטיבים מחייבים מייצגים של ארבע ערכות טעינה חלקיות שונות לאחר 15 פיקו-שניות של דינמיקה מולקולרית.
עבור הספרות נגזר חיובים כפי שהוכח, אינטראקציה בולטת מליטה מימן עם פרוטון פני השטח ניתן לראות. עם זאת, שלוש מערכות המטען המולקולריות ab-initio אינן כוללות אינטראקציה קולומבית כה חזקה עם פרוטון פני השטח. ואכן, העוצמה הקטנה יותר של המטענים החלקיים בספרות הנגזרים ממקרה בהשוואה לאלה שנדגמו בדרכים שונות מהדינמיקה המולקולרית ab-initio מובילה להיקף נמוך יותר של מיגון מטען ביחס לטענים הנוזליים היוניים החלקיים של טמפרטורת החדר בעוצמה גדולה יותר.
מעניין, סט המטען הנגזר Mulliken מראה קינקיות מתמשכת מסוימת של הצבע יש קשר מימן בולט עם אטום חמצן גישור על פני השטח anatase. מטען האיכות הטוב יותר מתאים מהדינמיקה המולקולרית ab-initio להוביל מוטיבים מחייבים מציאותיים יותר N719 כי הם בקנה אחד עם PEV מבוסס Born-אופנהיימר דינמיקה מולקולרית שמציעות פיזור Grimme-D3. המסה משוקלל ab-initio דינמיקה מולקולרית מהירות תפקוד מתאם אוטומטי תוצאות ספקטרליות להדגים מקבץ של פסגות ספקטרוסקופיות ב 300 עד 400 ס"מ אזור.
הפסגות העיקריות הקיימות בספקטרום הקלאסי הן ב-600 ו-800 ס"מ עבור החיובים הנגזרים מהספרות, 525 ו-800 ס"מ עבור חיובי מוליקן, 675, 810 ו-900 ס"מ עבור חיובי EHT, ו-650, 800 ו-900 ס"מ עבור מטען הירשפלד. הקפד לבדוק את המבנה הראשוני של הגיאומטריה של הטיטאניה בכל הכיוונים. כדי לייעל, שדה כוח יכול לשמש כדי להעריך את הפוטנציאל האמפירי בספקטרום רטט כפי שחזו לדינמיקה המולקולרית.
דינמיקה מולקולרית ab-initio היא אסטרטגיה יעילה ומבטיחה. השימוש בדינמיקה מולקולרית עשוי להיות חשוב גם בסימולציה לאפשר אב טיפוס של תאים סולריים רגישים לצבוע
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג פרוטוקול מפורט לשימוש בסימולציות דינמיקה מולקולרית (MD) המבוססות על פוטנציאל אמפירי, כדי לחזות את התכונות המבניות והרטטnelles של ממשקים בתאי סולאריים רגישים לצבע (DSC), תוך התמקדות ספציפית בצבע N719 שנספח על anatase TiO2 ונמצא בתמיסת נוזל יוני בטמפרטורת החדר (RTIL). המחקר בוחן כיצד פרמטריזציות שונות של מטענים חלקיים של ה-RTIL משפיעות על תחזיות של ספקטרומי רטט, תוך השוואה בין תוצאות MD אמפיריות לבין דינמיקה מולקולרית ab initio (AIMD) ונתונים ניסיוניים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- כימיה פיזיקלית
- כימיה חישובית
- מדע החומרים
- סימולציה מולקולרית
רקע
- ניבוי מדויק של ספקטרום רטט עבור משטחי תחמוצת מתכת פעילים פוטו-כימית עם צבעים ספחים הוא מאתגר.
- תאים סולאריים רגישים לצבע (DSCs) הם מבטיחים להמרה של אנרגיה סולארית, כאשר ביצועיהם מושפעים מתכונות ממשקיות.
- נוזלים יוניים בטמפרטורת החדר (RTILs) משמשים כאלקטרוליטים ב-DSCs, ומשפיעים על האינטראקציות בין הצבע למשטח.
- סימולציות MD עם פוטנציאל אמפירי מציעות יעילות חישובית, אך הן דורשות פרמטריזציה ותיקוף קפדניים.
מטרת המחקר
- להערכת הדיוק של MD עם פוטנציאל אמפירי בחיזוי ספקטרום רטט ותכונות מבניות של ממשקי DSC.
- לבחינת ההשפעה של סטים שונים של מטענים חלקיים עבור RTIL על תחזיות של ספקטרום רטט.
- להשוואת תוצאות MD אמפירי עם AIMD וספקטראליים ניסיוניים לצורך תיקוף.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- סימולציות של דינמיקה מולקולרית באמצעות DL_POLY עם שדות כוח מתוקפים (Lopez et al. עבור RTIL, Matsui-Akaogi עבור anatase TiO2).
- אופטימיזציה גיאומטרית וסימולציות של אנסמבל NVT בטמפרטורה של 300 K.
- יישום כללי שילוב Lorentz-Berthelot עבור פרמטרי Lennard-Jones ושיטת Ewald עבור אלקטרוסטטיקה ארוכת טווח.
- חילוץ מהירויות אטומיות וחישוב פונקציות אוטו-קורלציה של המהירות.
- התמרת פורייה של פונקציות אוטו-קורלציה של מהירות משוקללות מסה לקבלת ספקטרום רטט.
- השוואה של ספקטרומים באמצעות סטים שונים של מטענים חלקיים (ספרות, Mulliken, EHT, Hirshfeld) שנגזרו מ-AIMD ומספרות.
תוצאות עיקריות
- סימולציות MD אמפיריות עם סטים שונים של מטעני RTIL מניבות ספקטרום רטט ותבניות קישור שונות בממשק ה-DSC.
- מטענים המבוססים על הספרות מראים קשרי מימן חזקים עם פרוטונים על פני השטח, בעוד שמטענים המבוססים על AIMD מביאים לתבניות קישור ריאליות יותר ולסיכוך מטען מופחת.
- ספקטרומי רטט מ-MD אמפירי מראים שיאים מרכזיים בתדרים שונים בהתאם לסט המטענים, כאשר ספקטרומי AIMD מציגים מקבץ של שיאים באזור 300–400 cm-1.
- התאמה ותיקוף קפדניות של שדות כוח אמפיריים מאפשרות חיזוי סביר של תכונות הרטט של DSC.
מסקנות
- דינמיקה מולקולרית (MD) בעלת פוטנציאל אמפירי, כאשר היא מוגדרת ומאומתת כראוי, יעילה לחיזוי ספקטראים רטטניים של ממשקי DSC.
- פרמטריזציה של מטענים חלקיים ב-RTILs משפיעה באופן משמעותי על תכונות הממשק ועל הספקטראים החזויים.
- שילוב של MD אמפירית עם AIMD ואימות ניסיוני משפר את המהימנות במידול של ממשקים פעילים פוטו-כימית.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
חיזוי מדויק של ספקטרום רטט בממשקים שבין צבע לתחמוצת מתכת הוא קריטי להפחתת סיכונים בשלבים מוקדמים של פיתוח חומרים במחקר ופיתוח בתחומי האנרגיה והאופטואלקטרוניקה. פרוטוקול זה מדגים כיצד דינמיקה מולקולרית המבוססת על פוטנציאל אמפירי, כאשר היא מאופיינת ומתוּקפת באופן קפדני, יכולה לספק תובנות חזויות לגבי תכונות ממשקיות בחלק קטן מעלות החישוב של שיטות ab initio. יכולות אלו מאפשרות בדיקה מהירה של היפותזות ומיון של פורטפוליו חומרים וממשקים פוטו-אקטיביים חדשניים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בדיקה של אינטראקציות מולקולריות בין-ממשקיות ותבניות קישור הרלוונטיות לביצועים של חומרים פונקציונליים.
- תומך בהפחתת סיכונים מכניסטיים על ידי הבהרת ההשפעה של פרמטריזציית מטען על ספקטרום חוזה ומבנה הממשק.
- מסייע בביטחון ניבוי בבחירת חומרים ובקבלת החלטות מוקדמות של "המשך/עצור" (go/no-go) עבור אב-טיפוס של התקנים.
סריקה ופיתוח בדיקות
- מכין מודלים חישוביים מתוקפים לסריקה המשכית של שילובי צבע-פני שטח ואלקטרוליטים.
- מנרמל את פלטי הסימולציה לצורך הדירות והשוואה צולבת מול ספקטרומים ניסיוניים.
- מאפשר הערכה ניתנת להרחבה של מערכי פרמטרים, ובכך תומך בתהליכי עבודה של סריקה חישובית בשיעור גבוה.
מחקר תרגומי וטרום-קליני
- מתאימה תחזיות חישוביות למדדי ייחוס ניסיוניים ושל ab initio, ובכך תומכת ברציפות תרגומית משלב הסימולציה ועד לתיקוף במעבדה.
- מספקת מסגרת לקידום חומרים מועמדים מותאם-סיכון, המבוססת על פלטים ספקטרליים כמותיים.
- מפחיתה סיכונים הנובעים מאי-ודאות מכניסטית בתכנון ממשקים, לפני הרחבה ניסיונית יקרה של הניסוי.
שילוב תהליכי עבודה (Pipeline & Workflow)
פרוטוקול סימולציה זה משתלב ברצף שבין הגילוי לשלב הפרה-קליני, ומגשר בין בדיקת השערות חישובית לבין תיקוף ניסיוני עבור חומרים מתקדמים.
- ביולוגיה של הגילוי: תומך בבדיקת היפותזות על השפעות מטען בין-פשטי ומוטיבים של קישור ברמה המולקולרית.
- סינון: מספק ספקטרה רטטית כמותית וניתנת לשחזור לצורך הערכה השוואית של מערכי פרמטרים.
- אנליטיקה: מספק קריאות ספקטרליות המשוקללות לפי מסה וניתוחי אוטוקורלציה של מהירות לקבלת החלטות מבוססות נתונים חסונות.
- מחקר תרגומי: מבטיח רציפות על ידי השוואת תחזיות אמפיריות מול נתונים ניסיוניים ונתוני ab initio.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס זרימת עבודה של סימולציה הניתנת לשימוש חוזר וניתנת להתאמה למערכות אחרות של צבעים, פני שטח ואלקטרוליטים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי ומפחית עמימות מכניסטית בתכנון ממשקים.
- ערך תפעולי: מאפשר תהליכי עבודה חישוביים סטנדרטיים, ניתנים להרחבה וניתנים לשחזור.
- ערך אסטרטגי: משפר את יעילות ההון ותומך בקבלת החלטאות go/no-go טובות יותר בקווי המחקר והפיתוח של חומרים.
- השפעה על הפורטפוליו: מסייע לתעדוף מותאם סיכון ולקידום של חומרים מועמדים.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בסימולציה מולקולרית, פרמטריזציה של שדות כוח (force field) וניתוח ספקטרלי.
- נדרשת גישה לתשתיות מחשוב בעלות ביצועים גבוהים ותוכנות סימולציה מאושרות (לדוגמה, DL_POLY).
- נדרשת סטנדרטיזציה קפדנית בין צוותים של מערכי פרמטרים ופורמטים של נתונים.
- התאמה למערכות חדשות דורשת הקצאת מטענים מדויקת ותיקוף מול נתונים ניסויים או נתוני ab initio.
- המגבלות כוללות רגישות לאיכות שדה הכוח והצורך בכיול (benchmarking) שוטף.
