조밀도 기능적인 이론 및 분자 역학 포스 필드를 사용 하 여 이기종 물/금속 촉매 인터페이스의 multiscale 샘플링

액체 상 이질성 촉매의 프로토콜 모델, 열 및 양자 현상. 우리의 지식에, 명시적 액체 환경의 완전한 샘플링과 양자 역학을 통합하는 첫 번째입니다. 이 프로토콜에서 생성된 액체 분자의 구성은 실제 반응 조건하에서 예상되는 액체 분자를 나타내고 분자의 공간 적 배열에 의존하는 분자 수준 현상을 탐구하는 데 사용할 수 있습니다.

이 프로토콜에 의해 생성된 액체 분자의 구성은 용매가 액체 상 이질성 촉매에 재생하는 역할에 대한 통찰력을 제공합니다. 이 프로토콜을 처음 시도하는 경우 먼저 VASP, MCPliQ, VMD 및 LAMMPS 소프트웨어에 액세스할 수 있는지 확인하는 것이 좋습니다. 절차를 시연하는 것은 내 실험실에서 대학원생 인 천준 시 (Tianjun Xie)가 될 것입니다.

흡착 구조를 생성한 후 NPT 시뮬레이션을 위한 LAMMPS 입력 파일을 생성하고 FFMD를 사용하여 셀 볼륨을 상형화한다. LAMMPS 입력 파일을 작업 디렉터리에 복사합니다. 물 산소 및 수수 원자에 대한 원자 형 인덱스를 나타내기 위해 라인 34에서 그룹 변수를 편집한다.

라인 35의 그룹 변수에서 백금 및 흡착 원자에 대한 원자 형 인덱스를 나타낸다. 입력 파일의 17줄에서 실행 단계 변수를 편집하여 NPT 시뮬레이션의 지속 시간을 충분히 길게 설정하여 평형 실행 및 생산 실행을 구성합니다. 사용할 CPU 코어 수와 LAMMPS 실행 가능한 이름의 정보를 포함하는 명령줄 인터페이스에서 명령을 입력하여 LAMMPS 소프트웨어를 실행합니다.

에너지 최소화는 물 분자 구성을 정제하고 일정한 수의 물 분자, 부피 및 온도에서 수행되는 FFMD 시뮬레이션을 통해 물을 시뮬레이션 온도로 끌어올 수 있습니다. 그런 다음 또 다른 FFMD 시뮬레이션은 일정한 수의 물 분자, 압력 및 온도에서 실행되어 시뮬레이션 상자의 물리적으로 올바른 높이를 결정합니다. 출력 파일은 나중에 사용됩니다.

NPT 시뮬레이션 후 시간에 대해 슈퍼셀의 높이를 플롯합니다. 상태를 정상 상태로 평가하는 지점은 생산을 시작할 수 있는 NPT 시뮬레이션의 포인트입니다. 슈퍼셀 높이의 변동이 최소화되거나 일정한 값으로 수렴되었는지 확인하여 NPT 시뮬레이션의 평형을 확인합니다.

큰 변동이 발생하면 입력을 엽니다. equil 파일 및 물 분자 구성을 재생하고 이전과 같이 LAMMPS 소프트웨어를 실행하기 위해 라인 92에 시간 단계를 감소. 먼저 명령줄 인터페이스를 입력하여 스크립트를 실행합니다.

이 스크립트는 NPT 시뮬레이션의 프로덕션 실행 부분에서 TXT 파일로 평균 슈퍼셀 높이를 출력합니다. 스크립트는 LAMMPS에서 정보를 인쇄하기 위한 기본 간격인 1, 000 펨토초 간격으로 셀의 z 차원의 길이를 읽습니다. 다른 인쇄 간격이 원하는 경우 get_npt_lz 20호선을 편집하여 변경할 수 있습니다.

PY 스크립트 및 람MPS 입력의 라인 16. equil 파일. 스크립트는 시뮬레이션의 평형 부분을 구성하기 때문에 처음 2나노초 분량의 lz 값을 감지하고 폐기합니다.

파일의 19줄을 편집하여 평형 실행 기간을 변경할 수 있습니다. 나머지 3나노초는 생산부를 구성하고, 따라서 평균 z 차원 길이를 계산하는 데 사용된다. 또한 스크립트는 동일한 데이터를 플롯하는 PNG 파일뿐만 아니라 시간 단계의 함수로 lz 값을 제공하는 다른 TXT 파일을 출력합니다.

플롯을 사용하여 NPT 시뮬레이션의 평형을 확인할 수 있습니다. NPT에서 결정된 평균 높이를 사용하여 슈퍼셀을 재구성하려면 이전에 생성된 데이터 파일을 새 작업 디렉터리로 복사하여 data.myadsorbate로 이름을 바꿉니다. 그런 다음 새 데이터 파일을 편집하여 zlo를 0.0으로 변경하고 Zhi를 TXT 파일의 평균 값 출력에서 lz 값으로 변경합니다.

LAMMPS 입력 파일을 새 작업 디렉터리에 복사합니다. 32호선에 그룹 변수를 편집하여 백금 및 흡착 원자에 대한 원자형 지수를 나타내기 위해 33호선에 수중 수소 원자 및 그룹 변수에 대한 원자형 지수를 나타낸다. 그런 다음 16호선에서 runStep 변수를 편집하여 평형 실행 및 프로덕션 실행을 구성할 수 있을 만큼 충분히 길도록 합니다.

LAMMPS를 명령줄 인터페이스에 실행하려면 명령을 입력하여 LAMMPS 소프트웨어를 실행합니다. 이렇게 하면 물 분자에서 일정한 NVT 시뮬레이션이 실행되고 키 출력 파일이 생성됩니다. NVT 시뮬레이션은 평형 부분 및 생산 부분을 포함한다.

생산 부분은 시스템의 에너지가 시간 수준에 대해 플롯될 때 시작됩니다. 먼저 수소 결합 수명 스크립트를 엽니다. 22줄의 실제 시작 변수를 변경하여 첫 번째 기간의 시간 단계를 설정합니다.

23줄의 시간 단계 변수를 변경하여 LAMMPS 궤적 파일에 프레임이 기록되는 빈도를 설정합니다. 24번선과 25번 선의 N_first 및 N-last 변수를 변경하여 첫 번째 및 마지막 시간 단계를 설정하고 26번 선의 예지 변수를 변경하여 연속 프레임을 고려하거나 건너뛰는지 여부를 설정합니다. 27줄의 프레임 라인 변수를 변경하여 궤도 파일의 프레임 섹션당 줄 수를 설정합니다.

또한 31~35줄을 편집하여 데이터 내에서 어떤 원자 유형을 지정합니다. myadsorbate 파일은 흡착제에 속하며, 어떤 원자 유형은 물 분자에 속한다. 스크립트는 생산 실행의 물 구성을 분석하고 어떤 물 분자가 흡착에 수소 결합되는지 여부를 결정합니다.

그런 다음 각 수소 결합이 그대로 유지되는 시뮬레이션 시간을 계산하고 이 정보를 picoseconds 단위로 수소 결합 수명을 분배하는 것으로 보고합니다. LAMMPS는 제공된 LAMMPS 입력 파일의 기본값인 1, 000 펨토초마다 파일에 물 분자의 구성을 기록합니다. 시뮬레이션의 평형 부분을 구성하고 나머지 3나노초를 사용하여 수소 결합 수명을 계산할 때 파일내의 처음 2나노초 분량의 구성을 감지하고 폐기합니다.

스크립트를 실행하려면 명령줄 인터페이스에 입력합니다. 그런 다음 DAT 파일을 생성합니다. 파일의 데이터를 플롯하여 NVT 시뮬레이션 중에 발생한 수소 결합 수명 분포를 볼 수 있습니다.

시간 샘플링 간격에 사용할 시간 증분을 확인하려면 최대 수소 결합 수명보다 크거나 동일한 시간 증분을 사용합니다. NVT FFMD 궤적의 생산 실행에서 구성 수를 결정하여 구성 사이의 최소 시간이 이전에 확인된 시간 샘플링 간격과 같거나 더 크도록 샘플링합니다. 이전에 작성된 프레임 추출 스크립트에서 21줄의 프레임 변수 수에 대한 기본 값을 편집하여 추출할 구성 수를 지정합니다.

스크립트를 실행하려면 명령줄 인터페이스에서 스크립트 이름을 입력합니다. 이렇게 하면 NVT 시뮬레이션 파일에서 추출해야 하는 구성에 해당하는 시뮬레이션 시간 목록이 출력됩니다. 이러한 구성은 AIMD 또는 QM 시뮬레이션에서 시작 구조로 사용할 수 있습니다.

이 절차에서 FFMD는 물 분자의 초기 구성을 생성하는 데 사용되었습니다. AIMD 시뮬레이션은 원래 백금-111 표면의 설탕 알코올 흡착에 수소 결합된 물 분자가 알코올 흡착물에서 수소를 추상화하고 백금-111 표면에 두 번째 수소를 침전시키는 것을 보여줍니다. 액체 물 분자의 구조는 입력 설정에 따라 달라집니다.

이러한 것을 부적절하게 설정하면 물 구조물에 의도하지 않은 영향을 미칠 수 있습니다. 이 그림에서 왼쪽은 FFMD 실행의 시작 구조입니다. 그리고 오른쪽은 시뮬레이션을 시작하는 1 피코초 내에 있습니다.

FFMD 시뮬레이션은 물리적으로 큰 힘 설정으로 인해 불어물 분자가 표면에서 멀리 이동하게 합니다. 구성은 양자 역학, 또는 QMM 시뮬레이션에서 사용될 수 있거나 분자의 공간 위치와 관련된 통계를 분석하는 데 사용될 수 있습니다. 이 기술은 촉매 인터페이스에서 액체 분자의 실제 구성을 생성하여 액체 반응 환경이 촉매에 가지고있는 역할을 탐구하는 연구원을위한 길을 열어줍니다.