密度汎関数理論と力場分子動力学を用いた異種水/金属触媒インタ フェースのマルチ サンプリング

このプロトコルモデルは、液相異種触媒における熱および量子現象をモデル化する。私たちの知る限りでは、明示的な液体環境の完全なサンプリングで量子力学を組み込むのは初めてです。このプロトコルから生成される液体分子の構成は、実際の反応条件下で予想されるものを表し、分子の空間的配置に依存する分子レベルの現象を探求するために使用することができる。

このプロトコルによって生成される液体分子の構成は、溶媒が液相異種触媒に果たす役割に関する洞察を提供する。このプロトコルを初めて試す場合は、まず VASP、MCPliQ、VMD、および LAMMPS ソフトウェアにアクセスし、実行できることを確認することをお勧めします。この手順のデモンストレーションは、私の研究室の大学院生である天軍謝です。

吸着構造を生成した後、NPTシミュレーション用のLAMMPS入力ファイルを生成し、FFMDを使用してセル体積を平衡化します。LAMMPS 入力ファイルを作業ディレクトリーにコピーします。ライン 34 のグループ変数を編集して、水の酸素および水水素原子の原子タイプのインデックスを示します。

行35のグループ変数において、白金の原子型指数を示し、原子を吸引する。入力ファイルの 17 行目で、実行ステップ変数を編集して、NPT シミュレーションの期間を設定し、平衡実行と実稼働実行を構成するのに十分な時間を設定します。コマンド行インターフェースでコマンドを入力して、使用する CPU コア数と LAMMPS 実行可能ファイルの名前を含むコマンドを入力して、LAMMPS ソフトウェアを実行します。

エネルギー最小化は、水分子構成を改良し、水分子、体積、温度の定数数で実行されるFFMDシミュレーションを続けて、水をシミュレーション温度に導きます。その後、別のFFMDシミュレーションを水分子、圧力、温度の一定数で実行し、シミュレーションボックスの物理的に正しい高さを決定します。出力ファイルは後で使用されます。

NPT シミュレーションの後、スーパーセルの高さを時間に対してプロットします。定常状態値にレベルが下がったポイントは、生産を開始できる NPT シミュレーションのポイントです。スーパーセルの高さの変動が最小限であるか、安定した値に収束していることを確認して、NPTシミュレーションの平衡を確認します。

大きな変動が発生した場合は、入力を開きます。equilファイルを使用し、92行目のタイムステップを小さくして水分子構成を再生成し、LAMMPSソフトウェアを以前のように実行します。まず、コマンド ライン インターフェイスでスクリプトを実行します。

このスクリプトは、NPT シミュレーションの実稼働部からの平均スーパーセル高さを TXT ファイルに出力します。このスクリプトは、1,000 フェムト秒間隔 (LAMMPS で情報を印刷するデフォルトの間隔) でセルの z 次元の長さを読み取ります。別の印刷間隔が必要な場合は、get_npt_lzの行 20 を編集して変更できます。

PY スクリプトと LAMMPS 入力の 16 行目。等分ファイル。このスクリプトは、シミュレーションの平衡部分を構成するため、最初の 2 ナノ秒分の lz 値を検出して破棄します。

平衡実行の期間は、ファイルの 19 行目を編集することで変更できます。残りの3ナノ秒は生産部分を構成し、したがって平均z次元長さの計算に使用される。さらに、スクリプトは、時間ステップの関数として lz の値を提供する別の TXT ファイルと、同じデータをプロットする PNG ファイルを出力します。

このプロットを使用して、NPT シミュレーションの平衡を検証できます。NPT で決定された平均高さを使用してスーパーセルを再構築するには、以前に生成されたデータ ファイルを新しい作業ディレクトリにコピーし、data.myadsorbate と名前を変更します。次に、新しいデータ ファイルを編集して zlo を 0.0 に変更し、zhi を TXT ファイルの平均値から lz 値に変更します。

LAMMPS 入力ファイルを新しい作業ディレクトリーにコピーします。行32のグループ変数を編集して、水の酸素および水水素原子の原子タイプインデックスと行33のグループ変数を示して、白金および吸層原子の原子タイプインデックスを示す。次に、16 行目で、runStep 変数を編集して、平衡実行と実稼働の実行を構成するのに十分な長さになるようにします。

LAMMPS ソフトウェアを実行するコマンドをコマンド・ライン・インターフェースに入力します。これにより、水分子に対して一定のNVTシミュレーションが実行され、キー出力ファイルが生成されます。NVTシミュレーションは、平衡部分と生産部分を含む。

生産部分は、システムのエネルギーがオフの時間レベルに対してプロットされたときに開始されます。まず、水素結合の寿命スクリプトを開きます。行 22 の実際の開始変数を変更して、最初のタイムフレームのタイムステップを設定します。

フレームが LAMMPS 軌道ファイルに書き込まれる頻度を設定するには、23 行目のタイムステップ変数を変更します。行 24 と 25 のN_firstと N-last の変数を変更して最初のタイムステップと最後のタイムステップを設定し、行 26 のネバー文字変数を変更して、連続するフレームを考慮するかスキップするかを設定します。27行目のフレームライン変数を変更して、軌道ファイルのフレームセクションあたりの行数を設定します。

さらに、31 行から 35 行目を編集して、データ内のアトム タイプを指定します。ミアドオルベートファイルは吸和物に属し、どの原子タイプが水分子に属するか。このスクリプトは、生産走行中の水の構成を分析し、水分子が吸引物に水素結合しているかどうかを判断します。

次に、各水素結合がそのまま残っているシミュレーション時間をカウントし、この情報をピコ秒単位の水素結合寿命の分布として報告します。LAMMPS は、指定された LAMMPS 入力ファイルのデフォルトである 1,000 フェムト秒ごとに水分子の構成をファイルに書き込みます。シミュレーションの平衡部分を構成するファイル内の最初の2ナノ秒分の構成を検出して廃棄し、残りの3ナノ秒を使用して水素結合寿命を計算します。

スクリプトを実行するには、コマンド ライン インターフェイスで入力します。次に、DAT ファイルを生成します。ファイル内のデータをプロットして、NVT シミュレーション中に発生した水素結合の寿命の分布を表示します。

時間サンプリング間隔に使用する時間増分を決定するには、最大水素結合寿命以上の時間増分を使用します。NVT FFMD 軌道の実稼働から構成の数を決定し、構成間の最小時間が前に特定された時間サンプリング間隔以上になるようにサンプルします。以前に作成したフレーム抽出スクリプトで、21 行目のフレーム数のデフォルト値を編集して、抽出する構成の数を指定します。

スクリプトを実行するには、コマンド ライン インターフェイスでスクリプト名を入力します。NVT シミュレーション ファイルから抽出する必要がある構成に対応するシミュレーション時間のリストが出力されます。これらの設定は AIMD シミュレーションまたは QM シミュレーションの開始構造として使用できます。

この手順では、FFMDを用いて水分子の初期構成を生成した。AIMDシミュレーションでは、もともと白金-111表面に吸着する糖アルコールに水素結合した水分子がアルコールから水素を吸着し、白金-111表面に2番目の水素を堆積させることを示しています。液体水分子の構造は、入力設定に依存します。

これらを不適切に設定すると、水の構造に意図しない影響を与える可能性があります。この図では、左側が FFMD 実行の開始構造です。そして、右側はシミュレーションを開始してから1ピコ秒以内です。

FFMDシミュレーションは、物理的に大きな力の設定のために爆発し、水分子が表面から遠く離れて移動します。この構成は、量子力学やQMMシミュレーションで使用することも、分子の空間位置に関連する統計を分析するために使用することもできます。この技術は、触媒界面で液体分子の実際の構成を生成することによって、液体反応環境が触媒に及ぼす役割を探求する道を開きます。