Name: Wieloskalowe pobieranie próbek heterogenicznego granicy faz woda/katalizator metalowy przy użyciu teorii funkcjonału gęstości i dynamiki molekularnej pola siłowego (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-04-12T14:45:00.000+00:00
Duration: 10 min 52 s
Description: Poznaj metodę wieloskalowego pobierania próbek granicy faz woda/katalizator metalowy z wykorzystaniem dynamiki molekularnej i teorii funkcjonału gęstości. Protokół umożliwia modelowanie zjawisk termicznych i kwantowych w heterogenicznej katalizie faz ciekłych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

To badanie zostało sfinansowane przez National Science Foundation poprzez przyznanie nagrody o numerze CBET-1438325. Z wdzięcznością dziękujemy za wsparcie stypendialne dla CJB za pośrednictwem grantu szkoleniowego NASA NX14AN43H. Symulacje przeprowadzono na klastrze superkomputerowym Palmetto, który jest utrzymywany przez Cyberinfrastructure Technology Group na Uniwersytecie Clemson. Dziękujemy dr Paulowi J. Mezie-Moralesowi za przetestowanie protokołu.

1. Wygeneruj strukturę adsorbatu
<ol>
	<li>Utwórz plik VASP POSCAR składający się z superkomórki z okresowymi warunkami brzegowymi, tak jak w przypadku przeprowadzania symulacji adsorbatów na powierzchniach metalowych w próżni. Superkomórka powinna zawierać wstępne odgadnięcie struktury adsorbatu i powierzchni metalu, a także przestrzeń próżniową nad adsorbatem w celu dodania cząsteczekH2O. Szczegółowe informacje o tym, jak to zrobić, znajdują się w poprzedniej wersji work35,44. 
	UWAGA: Ważne jest, aby wysokość przestrzeni próżniowej znajdowała się co najmniej 12 A powyżej górnej części adsorbatu.</li>
	<li>Rozluźnij konstrukcję i zminimalizuj jej energię za pomocą kodu VASP. Szczegółowe informacje o tym, jak to zrobić, znajdują się w poprzedniej wersji work35,44. Spowoduje to utworzenie pliku o nazwie CONTCAR, który zostanie użyty w następnej sekcji.</li>
</ol>
2. Dodaj wyraźne cząsteczkiH2O
<ol>
	<li>Dodaj N cząsteczek wody do przestrzeni próżniowej w CONTCAR utworzonej w kroku 1.2 przy użyciu kodu MCPliQ, gdzie N = ρV, ρ to gęstość wody, a V to objętość przestrzeni próżniowej nad adsorbatem. 
	UWAGA: ρ należy przyjąć jako gęstość wody określoną przez model wody TIP3P/CHARMM w temperaturze symulacji. V zostanie dopracowany w następnym kroku.
	<ol>
		<li>Określ następujące informacje w pliku MCPliQ master_input.txt: liczbę cząsteczek H2O, które należy dodać (N), zmieniając pierwszy argument w wierszu 28, ścieżkę do pliku water.txt, zmieniając drugi argument w wierszu 28 oraz minimalną i maksymalną wysokość superkomórki, która może być zajęta przez cząsteczki wody, zmieniając minimalną współrzędną z w wierszu 11 i maksymalną współrzędną z w wierszu 12.</li>
		<li>Wykonaj kod MCPliQ, wpisując mcpliq z interfejsu wiersza poleceń, aby wstawić cząsteczki wody do pliku CONTCAR. Kod wyświetli jeden lub więcej plików z rozszerzeniem pliku . POSCAR. 
		UWAGA: Jeśli zostanie wyprodukowany więcej niż jeden plik POSCAR, zostaną one nazwane POSCAR_n.POSCAR. Wybierz plik, w którym n jest największe.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wygeneruj pliki wejściowe LAMMPS dla symulacji NPT i zrównoważ objętość komórki za pomocą FFMD w zespole NPT w LAMMPS.
	<ol>
		<li>Wykonaj skrypt lmps_bond_angle.py na . POSCAR wygenerowany w kroku 2.1.2, wpisując lmps_bond_angle.py $filename. POSCAR w interfejsie wiersza poleceń, gdzie $filename jest nazwą pliku . Plik POSCAR wygenerowany w kroku 2.1.2. Ten skrypt tworzy plik o nazwie $filename. POSCAR.bond_angle_info.txt który zawiera listę wiązań i kątów, które zostaną użyte w pliku danych LAMMPS.</li>
		<li>Otwórz VMD i wybierz File > New Molecule w oknie głównym, aby otworzyć okno Molecule File Browser. Wybierz VASP_POSCAR z menu rozwijanego Określ typ pliku. Kliknij przycisk Przeglądaj i przejdź do $filename. Plik POSCAR. Kliknij przycisk Załaduj, aby otworzyć $filename. Plik POSCAR.</li>
		<li>Otwórz konsolę Tk w VMD, wybierając Rozszerzenia > konsoli Tk w oknie głównym VMD.</li>
		<li>Wykonaj następujące polecenie w konsoli Tk: topo writelammpsdata $WDPATH/data.myadsorbate full, gdzie $WDPATH jest katalogiem na komputerze, w którym VMD zapisze plik danych LAMMPS, a data.myadsorbate to nazwa pliku danych LAMMPS.</li>
		<li>Usuń sekcję Wiązania i kąty u dołu pliku data.myadsorbate. Następnie dołącz listy wiązań i kątów do pliku $filename. POSCAR.bond_angle_info.text do data.myadsorbate. 
		UWAGA: Indeksy dla typu wiązania O-H i typu kąta OH dla cząsteczek wody w $filename. POSCAR.bond_angle_info.txt plik są ustawione na wartość 1. W związku z tym typy wiązań i kątów dla adsorbatów powinny zaczynać się od 2.</li>
		<li>Edytuj plik data.myadsorbate, dodając parametry Lennarda-Jonesa do sekcji Współczynniki par i parametry Coulomba do sekcji Atomy. Należy dodać parametry Lennarda-Jonesa i Coulomba dla cząsteczekH2O, atomów adsorbatu i atomów powierzchni metalu. 
		UWAGA: Parametry Lennarda-Jonesa dla atomów Pt, cząsteczek wody i atomów adsorbatu w tym protokole są uzyskiwane odpowiednio z pól siłowych UFF38, TIP3P/CHARMM37 i OPLS-AA39. Parametry kulombowskie dla cząsteczek wody i atomów adsorbatów uzyskuje się odpowiednio z pól siłowych TIP3P/CHARMM37 i OPLS-AA39. Parametry kulombowskie dla atomów Pt są ustawione na 0 w tym protokole. Alternatywnie, obliczone ładunki cząstkowe można wykorzystać do parametrów kulombowskich dla atomów adsorbatu i atomów Pt.</li>
		<li>Skopiuj plik wejściowy LAMMPS input.equil do katalogu $WDPATH. Edytuj zmienną grupy w wierszu 34, aby wskazać indeksy typu atomu dla atomów wody, tlenu i wodoru wody, oraz zmienną grupy w wierszu 35, aby wskazać indeksy typu atomu dla atomów Pt i adsorbatu.</li>
		<li>Uruchom oprogramowanie LAMMPS, wpisując mpiexec -np XX lmp_mpi < input.equil w interfejsie wiersza poleceń, gdzie XX to liczba rdzeni procesora do użycia, a lmp_mpi to nazwa pliku wykonywalnego LAMMPS. W ten sposób uruchomiona zostanie minimalizacja energii w celu udoskonalenia konfiguracjiH2O, a następnie symulacja FFMD przeprowadzona przy stałej liczbie cząsteczekH2O(N), objętości (V) i temperaturze (T) w celu doprowadzenia wody do temperatury symulacji, a następnie symulacja FFMD przebieg przy stałym N, ciśnieniu (P) i temperaturze (T), aby określić fizycznie poprawną wysokość pola symulacji. Pliki wyjściowe, które będą używane w sekcji 3, nazywają się data.myadsorbate_npt i log.myadsorbate. 
		UWAGA: Czas trwania symulacji NPT powinien być wystarczająco długi, aby obejmował przebieg "równoważenia", w którym objętość superkomórki osiąga stan ustalony, oraz przebieg "produkcyjny", który jest używany do próbkowania średnich zespołu (w tym przypadku wysokości superkomórki). Podczas biegu równoważenia objętość superkomórki wykreślona w funkcji czasu powinna wyrównać się do wartości w stanie ustalonym. Gdy to nastąpi, można powiedzieć, że symulacja NPT jest w fazie produkcji. Sprawdź równowagę symulacji NPT, upewniając się, że wahania wysokości superkomórki (lz) są minimalne lub zbiegły się do stałej wartości. Jeśli wystąpią duże wahania, ponownie wygeneruj konfiguracjęH2O, zmniejszając krok czasu w wierszu 92 w pliku input.equil i powtarzając krok 2.2.8 lub zaczynając od kroku 2.1.1 .</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Wyodrębnij właściwą wysokość superkomórki
<ol>
	<li>Wykonaj skrypt get_npt_lz.py w pliku log.myadsorbate, wpisując get_npt_lz.py log.myadsorbate w interfejsie wiersza polecenia. Ten skrypt wyprowadza średnią wysokość superkomórki z części "produkcyjnej" symulacji NPT w pliku avg_lz.txt. 
	UWAGA: Skrypt get_npt_lz.py zakłada, że LAMMPS zapisuje długość wymiaru z komórki (lz) w pliku log.myadsorbate co 1000 fs (z możliwością dostosowania w wierszu 20 skryptu get_npt_lz.py), co jest wartością domyślną w podanym pliku wejściowym LAMMPS input.equil. Skrypt get_npt_lz.py wykrywa i odrzuca pierwsze 2 ns (konfigurowalne w wierszu 19 skryptu get_npt_lz.py) wartości lz w pliku log.myadsorbate, ponieważ składają się one na część równoważącą symulację, podczas gdy pozostałe 3 ns składają się na część "produkcyjną" i są zatem używane przez skrypt get_npt_lz.py do obliczenia średniej długości wymiaru z. Oprócz pliku avg_lz.txt skrypt get_npt_lz.py generuje plik o nazwie npt_data.txt, który zawiera wartości lz jako funkcję kroku czasowego, a także plik o nazwie npt_plot.png, który wykreśla te same dane. Wykres może być wykorzystany do weryfikacji równowagi symulacji NPT.</li>
	<li>Zrekonstruuj superkomórkę, korzystając ze średniej wysokości określonej w NPT.
	<ol>
		<li>Skopiuj plik data.myadsorbate_npt do nowego katalogu, nazywanego tutaj $WD 2PATH, i zmień jego nazwę na data.myadsorbate.</li>
		<li>Edytuj nowy plik data.myadsorbate tak, aby wysokość lz była równa średniej wartości wyjściowej ze skryptu get_npt_lz.py, zmieniając argumenty zlo i zhi w pliku data.myadsorbate w taki sposób, aby zlo było równe 0,0, a zhi było wartością lz z pliku avg_lz.txt utworzonego w kroku 3.1.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Generuj konfiguracje cząsteczekH2O
<ol>
	<li>Skopiuj plik wejściowy LAMMPS input.prod do $WD 2PATH. Edytuj zmienną grupy w wierszu 32, aby wskazać indeksy typu atomu dla atomów wody, tlenu i wodoru wody, oraz zmienną grupy w wierszu 33, aby wskazać indeksy typu atomu dla atomów Pt i adsorbatu.</li>
	<li>Uruchom oprogramowanie LAMMPS, wpisując mpiexec -np XX lmp_mpi < input.prod w interfejsie wiersza poleceń, gdzie XX to liczba rdzeni procesora do użycia, a lmp_mpi to nazwa pliku wykonywalnego LAMMPS. W ten sposób uruchomiona zostanie ciągła symulacja NVT na cząsteczkach H2O. Kluczowym plikiem wyjściowym z tej symulacji jest dump.myadsorbate.lammpstrj plik. 
	UWAGA: Czas trwania symulacji NVT powinien być wystarczająco długi, aby obejmował przebieg równowagi, w którym energia układu osiąga stan ustalony, oraz przebieg produkcyjny, z którego pobierane są średnie zespoły (w tym przypadku pozycje przestrzenne cząsteczek wody). Podczas przebiegu równowagi energia układu wykreślona w funkcji czasu powinna wyrównać się do wartości w stanie ustalonym. Gdy to nastąpi, można powiedzieć, że symulacja NVT jest w fazie produkcyjnej.</li>
</ol>
5. Określ czas życia wiązania wodorowego dla prawidłowego pobierania próbek
<ol>
	<li>Edytuj skrypt hb_lifetime_dist.py, aby określić: krok czasowy pierwszej klatki pliku dump.myadsorbate.lammpstrj poprzez zmianę zmiennej actualStart w wierszu 22, częstotliwość zapisywania ramek do pliku trajektorii LAMMPS poprzez zmianę zmiennej timestep w wierszu 23, pierwsze i ostatnie kroki czasowe, które skrypt powinien uwzględnić (tj. produkcyjna część trajektorii) poprzez zmianę zmiennych N_first i N_last w wierszach 24 i 25, czy uwzględniane są kolejne klatki, czy też klatki są pomijane przez zmianę zmiennej nevery w wierszu 26, oraz liczbę linii na sekcję klatki pliku trajektorii poprzez zmianę zmiennej frameLine w wierszu 27. Ponadto edytuj wiersze od 31 do 35, aby określić, które typy atomów w pliku data.myadsorbate należą do adsorbatu, a które typy atomów należą do cząsteczekH2O. 
	UWAGA: Skrypt hb_lifetime_dist.py analizuje konfiguracjeH2Ow cyklu produkcyjnym i określa, czy jakiekolwiek cząsteczkiH2Osą związane wodorem z adsorbatem. Następnie zlicza czas symulacji, w którym każde wiązanie wodorowe pozostaje nienaruszone, i podaje tę informację jako rozkład czasów życia wiązań wodorowych w jednostkach ps. Konkretna wersja skryptu, która jest dostarczana z tym protokołem, zakłada, że LAMMPS zapisuje konfigurację cząsteczek H2O w pliku dump.myadsorbate.lammpstrj co 1000 fs, co jest wartością domyślną w podanym pliku wejściowym LAMMPS input.prod. Wykrywa i odrzuca pierwsze 2 ns konfiguracji w pliku dump.myadsorbate.lammpstrj, ponieważ składają się one na część symulacji dotyczącą równowagi, a pozostałe 3 ns wykorzystuje do obliczenia czasów życia wiązań wodorowych.</li>
	<li>Wykonaj skrypt hb_lifetime_dist.py w pliku dump.myadsorbate.lammpstrj, wpisując hb_lifetime_dist.py w interfejsie wiersza poleceń. Spowoduje to utworzenie pliku o nazwie distribution_HB_lifetime.dat.</li>
	<li>Wykreśl dane w pliku distribution_HB_lifetime.dat, aby wyświetlić rozkład czasów życia wiązań wodorowych, które wystąpiły podczas symulacji NVT.</li>
	<li>Określ przyrost czasu, który ma być używany dla interwału próbkowania czasu, na podstawie obliczonych okresów życia wiązań wodorowych. Najlepszym wyborem jest maksymalna żywotność wiązania wodorowego; Alternatywnie można użyć wartości, która uchwyciłaby 95% przedział ufności.</li>
</ol>
6. Konfiguracje próbek cieczyH2O
<ol>
	<li>Określ liczbę konfiguracji z serii produkcyjnej trajektorii NVT FFMD w celu dalszych obliczeń. Liczba konfiguracji powinna być tak dobrana, aby minimalny czas między konfiguracjami był równy lub większy niż odstęp czasu od pobierania próbek określony w sekcji 5.
	<ol>
		<li>Edytuj wartość domyślną zmiennej num_frames w wierszu 21 skryptu lammps_frames.py, aby określić liczbę konfiguracji do wyodrębnienia.</li>
		<li>Wykonaj skrypt lammps_frames.py w pliku dump.myadsorbate.lammpstrj, wpisując lammps_frames.py w interfejsie wiersza poleceń. Spowoduje to wyświetlenie listy czasów symulacji odpowiadających konfiguracjom, które powinny zostać wyodrębnione z pliku dump.myadsorbate.lammpstrj. Te konfiguracje mogą być używane jako struktury wyjściowe w symulacjach AIMD lub QM. 
		UWAGA: 1) Skrypt lammps_frames.py automatycznie wykrywa pliki dziennika i zrzutu LAMMPS, a także część produkcyjną trajektorii w pliku zrzutu i dzieli liczbę konfiguracji w pliku zrzutu na 10 grup. Alternatywnie użytkownik może określić plik dziennika, plik zrzutu i liczbę konfiguracji z interfejsu wiersza polecenia, używając odpowiednio opcji -l, -d i -n. Aby to zrobić, użytkownik powinien wpisać lammps_frames.py -n XX -l $logfilename -d $dumpfilename w interfejsie wiersza poleceń, gdzie XX to żądana liczba konfiguracji, $logfilename to nazwa pliku dziennika LAMMPS, a $dumpfilename to nazwa pliku trajektorii (zrzutu) LAMMPS. Czasy symulacji, które są wyprowadzane, odnoszą się do mediany czasów w każdej grupie. 2) Jeśli konfiguracje będą obliczane w VASP z włączoną flagą LDIPOLE, należy dodać niewielką warstwę przestrzeni próżniowej do górnej części superkomórki nad warstwą wody. Ułatwi to konwergencję struktury elektronicznej w obliczeniach VASP. Dodanie dodatkowych 3 A przestrzeni próżniowej powyżej cząsteczekH2Ozakończyło się sukcesem w symulacjach omówionych poniżej.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

Autorzy nie ujawniają konfliktu interesów.

Przedstawiona metoda została wybrana ze względu na łatwość wdrożenia, ale można dokonać wielu dostosowań. Po pierwsze, pola siłowe używane w symulacjach FFMD mogą być modyfikowane. Zmianę parametrów i/lub potencjałów pola sił można dokonać poprzez edycję plików wejściowych i danych LAMMPS. Podobnie można stosować rozpuszczalniki inne niżH2O. Aby dokonać tej modyfikacji, pożądana cząsteczka rozpuszczalnika musiałaby zostać wstawiona, począwszy od kroku 2.1.1, a pliki wejściowe LAMMPS musiałyby zostać zmodyfikowane w celu uwzględnienia odpowiednich potencjałów i parametrów. Wprowadzenie nowej cząsteczki rozpuszczalnika wymagałoby również podania wewnętrznych współrzędnych cząsteczki rozpuszczalnika w pliku .txt analogicznym do pliku water.txt.
Kolejną modyfikacją, którą można wprowadzić, jest modyfikacja powierzchni płyty. W wyniku omówionego w tym manuskrypcie wykorzystano płyty powierzchniowe 3 Pt x 3 Pt lub 4 Pt x 4 Pt, których powierzchnia jest mniejsza niż 120 A2. Wraz ze wzrostem powierzchni płyty wzrasta również koszt obliczeniowy. Koszt obliczeniowy ma największy wpływ na sekcję 5 tego protokołu. Jeżeli etapy przetwarzania danych w sekcji 5 staną się niewystarczające obliczeniowo, można zastosować strategie przetwarzania końcowego dużych zbiorów danych, takie jak te omówione w Li i in. 201845 .
Możliwe źródła niepewności dla tej procedury obejmują zastosowane pole siłowe, metodę próbkowania i częstotliwość próbkowania. Struktura wody jest określana przez użyte pole siłowe, co oznacza, że wybór pola siłowego może wpływać na określone konfiguracje cząsteczekH2O. Nasza grupa oceniła, w jaki sposób wybór pola sił dla cząsteczekH2Oi atomów Pt wpływa na energie oddziaływań obliczone w FFMD i odkryła, że wybór pola siłowego przyczynia się do mniej niż 0,1 eV do tej energii oddziaływania. Innym źródłem niepewności jest metoda doboru próby, która wpływa na określone konfiguracje używane do obliczania interesującej nas wielkości. Nasza grupa porównała wydajność metody "próbkowania w czasie" przedstawionej w tym protokole z metodą "próbkowania energii", która jest stronnicza w stosunku do niższych konfiguracji energetycznych cząsteczekH2O, na energiach oddziaływań obliczonych w DFT i stwierdziła, że obie te metody próbkowania dają statystycznie równe wartości35,46. Częstotliwość próbkowania może również mieć wpływ na wyniki. Oceniliśmy, w jaki sposób zwiększenie liczby konfiguracji od 10 do 30 000 wpływa na średnie energie oddziaływań obliczone w FFMD dla 40 różnych adsorbatówC3HxO3 i stwierdziliśmy, że częstotliwość próbkowania przyczynia się mniej niż 0,1 eV do średniej energii oddziaływania44.
Głównym ograniczeniem tej metody jest to, że adsorbaty są aproksymowane przez struktury w próżni podczas symulacji FFMD. W rzeczywistości adsorbaty wykazywałyby zmiany konformacyjne (rozciąganie wiązań, zgięcia kątowe, ruchy skręcające itp.) spowodowane normalnymi ruchami termicznymi, w tym interakcjami z cząsteczkami rozpuszczalnika. Próby włączenia zmian konformacyjnych adsorbatów do symulacji FFMD wymagałyby szczegółowego opracowania pól siłowych dla katalitycznych adsorbatów powierzchniowych, tj. które zawierają między innymi terminy opisujące rozciąganie wiązań, zagięcia kątowe i terminy skręcania. Jako przyszły kierunek tego protokołu, opracowujemy takie pola siłowe dla adsorbatów na powierzchniach stałych, których użyjemy do określenia zakresu, w jakim użycie sztywnych adsorbatów wpływa na wyniki.

Modelowanie zjawisk molekularnych związanych z heterogeniczną katalizą w warunkach ciekłych jest niezbędne do zrozumienia funkcji katalitycznej; jednak pozostaje to wyzwaniem, ponieważ wymaga doskonałej równowagi między dokładnością chemiczną a wydatkami obliczeniowymi. Ogólnie rzecz biorąc, ponieważ kataliza polega na zrywaniu i tworzeniu wiązań chemicznych, mechanika kwantowa musi być stosowana przynajmniej do pewnego stopnia; Jednak długie symulacje są wyzwaniem w mechanice kwantowej, ponieważ wymagają znacznych zasobów komputerowych. Ponieważ cząsteczki w fazie ciekłej znajdują się w ciągłym ruchu termicznym, symulacje muszą również obejmować próbkowanie konfiguracyjne, tj. muszą obejmować wiele układów przestrzennych cząsteczek cieczy, ponieważ każdy inny układ przestrzenny (tj. każda konfiguracja) ma inną energię. Oznacza to, że dla każdego interesującego nas gatunku katalitycznego należy symulować wiele konfiguracji cząsteczek cieczy. Te potrzeby – wykorzystanie mechaniki kwantowej i wykonywanie wielu obliczeń dla każdego rodzaju katalitycznego – mogą sprawić, że modelowanie w katalizie heterogenicznej w fazie ciekłej stanie się obliczeniowo niemożliwe. Celem opisanej w niniejszym dokumencie metody jest umożliwienie wykonalnych obliczeniowo symulacji zjawisk zachodzących w katalizie heterogenicznej w fazie ciekłej.
Jesteśmy szczególnie zainteresowani heterogenicznie katalizowanymi reakcjami, które są przeprowadzane pod ciekłą wodą. Cząsteczki wody mają znaczący wpływ na zjawiska katalityczne, takie jak oddziaływanie z gatunkami katalitycznymi (np. poprzez siły dyspersji i wiązania wodorowe)1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20, 21,22,23, uczestniczący w reakcjach katalitycznych1,7,8,9,15,21,22,24,25,26,27, oraz wpływające na ścieżki reakcji i/lub szybkość katalityczną1,11,12,15,18,23,25,27, 28,29,30,31. Modelowanie tych zjawisk zostało przeprowadzone przy użyciu QM i/lub ab initio dynamiki molekularnej (AIMD)1,2,6,7,14,22,25,27,28,32,33,34, dynamika molekularna pola siłowego (FFMD)35 oraz mechanika kwantowa/mechanika molekularna (QM/MM)10. W AIMD i FFMD atomy w układzie są poruszane zgodnie z równaniami ruchu Newtona zgodnie z działającymi na nie siłami. W AIMD energia i siły układu są obliczane za pomocą mechaniki kwantowej, podczas gdy w FFMD energia i siły układu są obliczane za pomocą pól siłowych, które są wyrażeniami algebraicznymi sparametryzowanymi na podstawie danych eksperymentalnych lub QM. W QM/MM część układu, w której następuje zerwanie i tworzenie wiązania, jest obliczana za pomocą QM, a pozostała część systemu jest obliczana za pomocą MM, który wykorzystuje pola siłowe. Ponieważ bezpośrednio wykorzystują QM, AIMD i QM/MM lepiej nadają się do wychwytywania zrywania i tworzenia wiązań, które zachodzą w katalizie heterogenicznej w fazie wodnej; jednak FFMD jest znacznie bardziej wykonalny obliczeniowo, a tym samym lepiej nadaje się do generowania konfiguracji ciekłych cząsteczek H2O. Metoda przedstawiona w tym protokole równoważy dokładność chemiczną i koszty obliczeniowe poprzez zastosowanie kombinacji QM i FFMD.
W szczególności, ta metoda wykorzystuje symulacje FFMD do generowania konfiguracji cieczyH2Oi QM do obliczania energii systemu. FFMD odbywa się przy użyciu LAMMPS. 36 Pola siłowe użyte w FFMD w tej pracy wykorzystują potencjały Lennarda-Jonesa + Coulomba (LJ+C), gdzie parametry LJ zostały zaczerpnięte z modelu TIP3P/CHARMM37 dla H2O, uniwersalnego pola siłowego38 (UFF) dla Pt, oraz pola siłowego OPLS-AA39 dla form katalitycznych, a parametry Coulomba zostały zaczerpnięte z modelu TIP3P/CHARMM<sup="xref">37 dla H2O i pole siłowe OPLS-AA39 dla gatunków katalitycznych. Parametry kulombowskie dla atomów Pt zostały ustawione na 0. Obliczenia QM są wykonywane przy użyciu kodu VASP 40,41,42, który jest kodem teorii funkcjonału gęstości (DFT). Insercje cząsteczek wody są wykonywane za pomocą opracowanego przez nas kodu o nazwie Monte Carlo Plug-in for Quantum Methods (MCPliQ). Konwersje plików z VASP do LAMMPS w tym protokole są wykonywane za pomocą oprogramowania Visual Molecular Dynamics (VMD) 43.
Protokół ma na celu generowanie konfiguracji cząsteczek ciekłej wody wokół katalitycznych form na płaskich powierzchniach metalu przejściowego przy niskim pokryciu. Pokrycie jest oznaczone jako θ i zdefiniowane jako liczba adsorbatów na powierzchniowy atom metalu (tj. liczba adsorbatów powierzchniowych znormalizowana przez liczbę atomów metalu w najwyższej warstwie metalowej płyty w modelu katalizatora). W tym manuskrypcie niskie pokrycie zdefiniowano jako θ ≤ 1/9 monowarstwy (ML), gdzie 1 ML oznacza jeden rodzaj katalityczny na atom metalu na powierzchni. Modele katalizatorów należy umieszczać w skrzynkach do symulacji okresowych. Pola symulacji nie muszą być sześcianami. Niniejszy manuskrypt demonstruje zastosowanie protokołu do generowania konfiguracji cieczyH2O, które można wykorzystać do obliczenia wielkości będących przedmiotem zainteresowania w katalizie heterogenicznej w fazie wodnej.
Ten protokół wymaga, aby użytkownik miał dostęp do zainstalowanych i działających wersji oprogramowania VASP, MCPliQ, LAMMPS i VMD. Więcej informacji na temat VASP (https://www.vasp.at/), LAMMPS (https://Lammps.sandia.gov/) i VMD (https://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/) można znaleźć na ich stronach internetowych. Oprogramowanie MCPliQ jest udokumentowane na https://github.com/getman-research-group/JoVE_article, wraz ze wszystkimi plikami wejściowymi i skryptami Pythona wymienionymi w tym protokole. Protokół ten zakłada, że wymienione w nim pliki wykonywalne i skrypty będą uruchamiane na komputerze badawczym o wysokiej wydajności i są instalowane w katalogu, który znajduje się w zmiennej $PATH użytkownika. Jeśli plik wykonywalny lub skrypt zostanie umieszczony w lokalizacji, która nie znajduje się w $PATH użytkownika, należy dołączyć ścieżkę do pliku wykonywalnego, aby go wykonać. Pliki wykonywalne i skrypty są wykonywane w krokach 2.1.2, 2.2.1, 2.2.8, 3.1, 4.2, 5.2 i 6.1.2. Na przykład, aby wykonać kod MCPliQ w kroku 2.1.2 z katalogu, który nie znajduje się w $PATH użytkownika, użytkownik powinien wpisać $PATHTOMCPLIQ/mcpliq w interfejsie wiersza poleceń zamiast mcpliq, gdzie $PATHTOMCPLIQ jest lokalizacją, w której został zapisany plik wykonywalny mcpliq (np$PATHTOMCPLIQ. może to być ~/bin). Przed uruchomieniem tego protokołu wszystkie pliki wykonywalne i skrypty powinny mieć uprawnienia do wykonywania plików wykonywalnych (np. w Linuksie można to zrobić, wpisując chmod +x mcpliq w interfejsie wiersza poleceń z katalogu, w którym przechowywany jest plik wykonywalny mcpliq). Ponadto należy załadować wszystkie moduły wymagane przez którekolwiek z programów lub skryptów (zależności te będą specyficzne dla poszczególnych instalacji różnych programów i komputera, na którym zostaną uruchomione symulacje).

<table><tbody><tr><td>Oprogramowanie VASP</td><td>Computational Materials Physics, Wydział Fizyki, Uniwersytet Wiedeński</td><td>vasp.5.4.4</td><td>Standardowy równoległy plik wykonywalny VASP w najnowszej wersji.</td></tr><tr><td>Oprogramowanie LAMMPS</td><td>Sandia National Laboratory</td><td>31Mar17-dp</td><td>Plik wykonywalny LAMMPS o podwójnej precyzji od 31 marca 2017 r.</td></tr><tr><td>Oprogramowanie VMD</td><td>Theoretical and Computational Biophysics Group, University of Illinois at Urbana-Champaign</td><td>1.9.3</td><td>Standardowy plik wykonywalny VMD w najnowszej wersji.</td></tr><tr><td>Oprogramowanie MCPliQ</td><td>Getman Research Group, Dept. of Chemical and Biomolecular Engineering, Clemson University</td><td></td><td>Pliki wykonywalne i wejściowe dla oprogramowania MCPliQ dostępne na stronie GitHub Getman Research Group.</td></tr><tr><td>Skrypty artykułów JoVE</td><td>Getman Research Group, Dept. of Chemical and Biomolecular Engineering, Clemson University</td><td></td><td>Skrypty Pythona dla tego manuskryptu JoVE dostępne na stronie GitHub Getman Research Group.</td></tr><tr><td>Plik PDB H2O</td><td>Getman Research Group, Dept. of Chemical and Biomolecular Engineering, Clemson University lub RCSB Protein Data Bank</td><td></td><td>plik PDB dla cząsteczki wody, dostępny na stronie GitHub Getman Research Group lub pod adresem http://www.rcsb.org/ligand/HOH.</td></tr></tbody></table>

wieloskalowe pobieranie próbek heterogenicznego granicy faz woda/katalizator metalowy przy użyciu teorii funkcjonału gęstości i dynamiki molekularnej pola siłowego

Multiscale Sampling of a Heterogeneous Water/Metal Catalyst Interface using Density Functional Theory and Force-Field Molecular Dynamics

Znaczna liczba heterogenicznie katalizowanych procesów chemicznych zachodzi w warunkach ciekłych, ale symulacja funkcji katalizatora w takich warunkach jest trudna, gdy konieczne jest uwzględnienie cząsteczek rozpuszczalnika. Procesy zrywania i tworzenia wiązań modelowane w tych układach wymagają zastosowania metod chemii kwantowej. Ponieważ cząsteczki w fazie ciekłej znajdują się w ciągłym ruchu termicznym, symulacje muszą również obejmować pobieranie próbek konfiguracyjnych. Oznacza to, że dla każdego interesującego nas gatunku katalitycznego należy symulować wiele konfiguracji cząsteczek cieczy. Celem przedstawionego tutaj protokołu jest wygenerowanie i pobranie próbek trajektorii konfiguracji cząsteczek ciekłej wody wokół form katalitycznych na płaskich powierzchniach metali przejściowych w sposób, który równoważy dokładność chemiczną z kosztami obliczeniowymi. W szczególności symulacje dynamiki molekularnej pola siłowego (FFMD) są wykorzystywane do generowania konfiguracji cząsteczek cieczy, które można następnie wykorzystać w metodach opartych na mechanice kwantowej, takich jak teoria funkcjonału gęstości lub dynamika molekularna ab initio. Aby to zilustrować, w tym manuskrypcie protokół jest używany dla katalitycznych produktów pośrednich, które mogą być zaangażowane w szlak rozkładu glicerolu (C3H8O3). Struktury generowane za pomocą FFMD są modelowane w DFT w celu oszacowania entalpii solwatacji związków katalitycznych i określenia, w jaki sposób cząsteczkiH2Ouczestniczą w rozkładach katalitycznych.

Jednym z zastosowań niniejszego protokołu jest obliczanie energii oddziaływania między ciekłą wodą a gatunkami katalitycznymi, tj. ΔEint35:
∆Eint=EGatunki katalityczne+H2O+ECzysta powierzchnia katalizatora-EGatunki katalityczne-ECzysta powierzchnia katalizatora+H2O
gdzie ECatalytic species+H2O to energia konfiguracji cząsteczek H2O wokół gatunku katalitycznego na powierzchni metalu, EClean catalyst surface to energia czystej powierzchni katalizatora w próżni, ECatalytic species to energia gatunku katalitycznego na powierzchni metalu w próżni, a EClean catalyst surface+H2O to energia konfiguracji H2O nad powierzchnią katalizatora po usunięciu gatunku katalitycznego. Pozycje cząsteczek H2O wykorzystane do obliczenia ECatalytic species+H2O oraz EClean catalyst surface+H2O powinny być identyczne. Wszystkie wartości E obliczono przy użyciu kodu VASP. Wielkość ΔEint obejmuje wszystkie oddziaływania fizyczne i chemiczne pomiędzy wszystkimi cząsteczkami w strukturze wody w stanie ciekłym a gatunkiem katalitycznym i stanowi rozsądną wartość szacunkową entalpii solwatacji gatunku katalitycznego, która jest niezbędna do obliczenia jego swobodnej energii solwatacji oraz całkowitej energii swobodnej. Tabela 1 przedstawia wartości ΔEint obliczone dla gatunków na powierzchni katalizatora Pt(111) o wzorach chemicznych CxHyOz w jednostkach eV (1 eV = 96,485 kJ/mol). Wartości obliczono dla stopnia pokrycia ≤1/9 ML.35,46 Podane wartości są średnimi z 10 konfiguracji ciekłego H2O, a niepewności podano jako odchylenia standardowe. Wszystkie wartości są ujemne, co wskazuje na korzystne oddziaływania z wodą.
Kolejnym zastosowaniem tego protokołu jest generowanie struktur początkowych dla AIMD. Film 1 przedstawia trajektorię AIMD, która została rozpoczęta od konfiguracji wygenerowanej za pomocą tego protokołu. Na początku filmu widoczny jest adsorbat COH na powierzchni Pt(111) pod strukturą ciekłego H2O. Podkreślono jedną cząsteczkę H2O, która utworzyła wiązanie wodorowe z COH. W trakcie trwania filmu cząsteczka H2O ta odrywa proton z adsorbatu COH i osadza drugi atom wodoru na powierzchni Pt(111). Cząsteczka H2O pomaga zatem katalizować reakcję COH* + * → CO* + H*, gdzie * oznacza centra katalityczne. Symulacja ta podkreśla główną zaletę i główny cel opisanej tutaj metody próbkowania wieloskalowego. Dzięki swojej wydajności obliczeniowej FFMD pozwala na wygenerowanie licznych konfiguracji cząsteczek H2O. Jednak ograniczeniem FFMD jest fakt, że nie potrafi ona uchwycić zrywania i tworzenia wiązań, chyba że zastosuje się reaktywne pole siłowe. AIMD wykorzystuje mechanikę kwantową do obliczania energii, dzięki czemu może modelować zrywanie i tworzenie wiązań. Z drugiej strony AIMD jest zbyt wymagające obliczeniowo, aby wygenerować wszystkie konfiguracje cząsteczek H2O niezbędne do zapewnienia wystarczającego próbkowania. Dlatego niniejszy protokół łączy obie te metody.
Struktury cząsteczek ciekłego H2O generowane za pomocą tej procedury zależą od ustawień wejściowych. Ich niewłaściwe skonfigurowanie może mieć nieprzewidziany wpływ na struktury wody. Na przykład, gdy odległości międzycząsteczkowe staną się zbyt małe lub gdy inne parametry w plikach wejściowych dynamiki molekularnej zostaną ustawione niewłaściwie lub przyjmą wartości niefizyczne, struktura wody może stać się nieracjonalna. W takich okolicznościach struktura wody może nieoczekiwanie „eksplodować” podczas trajektorii FFMD. Rysunek 1 przedstawia przykład takiego zjawiska. Migawka po lewej stronie to struktura początkowa dla uruchomienia FFMD, a migawka po prawej stronie to ujęcie wykonane w ciągu 1 ps od rozpoczęcia symulacji. Jak widać, cząsteczki H2O oddaliły się znacząco od powierzchni. Jest to spowodowane niewłaściwymi ustawieniami w plikach wejściowych symulacji i nie jest strukturą, która prawdopodobnie wystąpiłaby w rzeczywistości.
<img alt="Schemat adsorpcji molekularnej na powierzchni Pt z badaniem oddziaływań cząsteczek wody i adsorbatu." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59284/59284fig1v2.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1: Przykład wyniku negatywnego. Symulacja dynamiki molekularnej z użyciem pola siłowego „rozpada się” z powodu niefizycznego ustawienia lub wartości. Obraz po lewej stronie: Geometria początkowa powierzchni Pt(111), adsorbatu i struktury ciekłej wody. Obraz po prawej stronie: Geometria powierzchni Pt(111), adsorbatu i struktury ciekłej wody mniej niż 1 ps później. Na prawym obrazie cząsteczki H2O oddaliły się od powierzchni z powodu niefizycznie dużych sił. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59284/59284fig1v2large.jpg" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Symulacja molekularna, proces adsorpcji, schemat, oddziaływanie z powierzchnią katalizatora, modelowanie chemiczne" src="/files/ftp_upload/59284/59284mov1.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Film 1"> 
Film 1: Ab initio symulacja dynamiki molekularnej (AIMD) zainicjowana z konfiguracji wygenerowanej w próbkowanie wieloskalowe. A H2Cząsteczka, która pierwotnie tworzy wiązanie wodorowe z adsorbatem COH na powierzchni Pt(111), odbiera proton z COH i osadza drugi atom wodoru na powierzchni Pt(111). To zdarzenie zrywania i tworzenia wiązań może zostać uchwycone przez metodę AIMD, ale nie za pomocą dynamiki molekularnej opartej na polach siłowych (FFMD), chyba że zastosowano reaktywne pole siłowe. Konfiguracja początkowa H2Cząsteczki O wykorzystane w tej symulacji AIMD zostały wygenerowane przy użyciu FFMD, zgodnie z opisem zawartym w niniejszym manuskrypcie. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59284/movie1.mp4" target="_blank">Kliknij tutaj, aby obejrzeć ten film. (Kliknij prawym przyciskiem myszy, aby pobrać).</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Gatunki katalityczne</td>
			<td>∆Eint (eV)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>COH</td>
			<td>-0.70 ± 0.07</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CO </td>
			<td>-0.03 ± 0.03</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CH2OH</td>
			<td>-0.64 ± 0.12</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CHO-CHOH-CH2OH</td>
			<td>-0.93 ± 0.22</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>COH-COH-CH2OH</td>
			<td>-0.87 ± 0.23</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>COH-CHOH-COH</td>
			<td>-1.72 ± 0.26</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CHOH-COH-CO</td>
			<td>-1.57 ± 0.25</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CHO-CO-CO</td>
			<td>-0.31 ± 0.19</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 1: Wyniki energii oddziaływania gatunków wodno-katalitycznych. Energie oddziaływań w eV obliczone dla ośmiu adsorbatów CxHyOz na Pt(111). Podane wartości są średnimi obliczonymi dla wielu konfiguracji ciekłego H2O. Niepewności stanowią odchylenia standardowe średnich. 1 eV = 96,485 kJ/mol.

Celem przedstawionego tutaj protokołu jest generowanie i próbkowanie trajektorii konfiguracji cząsteczek ciekłej wody wokół gatunków katalitycznych na płaskiej powierzchni metalu przejściowego. Próbkowane konfiguracje mogą być używane jako struktury wyjściowe w metodach opartych na mechanice kwantowej.

Wieloskalowe pobieranie próbek heterogenicznego granicy faz woda/katalizator metalowy przy użyciu teorii funkcjonału gęstości i dynamiki molekularnej pola siłowego

A significant number of heterogeneously-catalyzed chemical processes occur under liquid conditions, but simulating catalyst function under such conditions ...

Modele protokołów, zjawiska termiczne i kwantowe w katalizie heterogenicznej w fazie ciekłej. Jest to pierwsza, według naszej wiedzy, która łączy mechanikę kwantową z pełnym próbkowaniem wyraźnie ciekłego środowiska. Konfiguracje cząsteczek cieczy wygenerowane w tym protokole reprezentują konfiguracje oczekiwane w rzeczywistych warunkach reakcji i mogą być wykorzystane do badania zjawisk na poziomie molekularnym, które zależą od przestrzennego ułożenia cząsteczek.Konfiguracje cząsteczek cieczy generowane przez ten protokół zapewniają wgląd w role, jakie rozpuszczalnik odgrywa w katalizie heterogenicznej w fazie ciekłej. Jeśli próbujesz tego protokołu po raz pierwszy, zalecam, abyś najpierw upewnił się, że masz dostęp do oprogramowania VASP, MCPliQ, VMD i LAMMPS i możesz je uruchomić. Procedurę zademonstruje Tianjun Xie, doktorant z mojego laboratorium.Po wygenerowaniu struktury adsorbatu wygeneruj pliki wejściowe LAMMPS do symulacji NPT i zrównoważ objętość komórki za pomocą FFMD. Skopiuj plik wejściowy LAMMPS do katalogu roboczego. Edytuj zmienną grupy w wierszu 34, aby wskazać indeksy typów atomów dla atomów wody, tlenu i wodoru wody.W zmiennej grupy w wierszu 35, aby wskazać indeksy typu atomu dla atomów platyny i adsorbatu. W wierszu 17 pliku wejściowego zmodyfikuj zmienną kroku przebiegu, aby ustawić czas trwania symulacji NPT wystarczająco długi, aby obejmował przebieg równoważenia i przebieg produkcyjny. Uruchom oprogramowanie LAMMPS, wpisując polecenie w interfejsie wiersza poleceń, które zawiera informacje o liczbie rdzeni procesora do użycia oraz nazwę pliku wykonywalnego LAMMPS.Minimalizacja energii udoskonala konfigurację cząsteczek wody, a następnie przeprowadzana jest symulacja FFMD przy stałej liczbie cząsteczek wody, objętości i temperaturze, aby doprowadzić wodę do temperatury symulowanej. Kolejna symulacja FFMD jest następnie uruchamiana przy stałej liczbie cząsteczek wody, ciśnieniu i temperaturze, aby określić fizycznie poprawną wysokość pudełka symulacyjnego. Pliki wyjściowe zostaną użyte później.Po symulacji NPT wykreśl wysokość superkomórki w funkcji czasu. Punkt, w którym wyrównuje się do wartości w stanie ustalonym, jest punktem w symulacji NPT, w którym można rozpocząć produkcję. Sprawdź równowagę symulacji NPT, upewniając się, że wahania wysokości superkomórki są minimalne lub zbiegły się do stałej wartości.Jeśli wystąpią duże wahania, otwórz plik wejściowy equil i zmniejsz krok czasowy w wierszu 92, aby zregenerować konfigurację cząsteczki wody i uruchomić oprogramowanie LAMMPS jak poprzednio. Aby rozpocząć, wpisz w interfejsie wiersza poleceń, aby uruchomić skrypt.Ten skrypt wyprowadza średnią wysokość superkomórki z części symulacji NPT dotyczącej przebiegu produkcyjnego do pliku TXT. Skrypt odczytuje długość wymiaru z komórki w odstępach 1 000 femtosekund, co jest domyślnym interwałem drukowania informacji w formacie LAMMPS. Jeśli wymagany jest inny interwał drukowania, można go zmienić, edytując wiersz 20 get_npt_lz.py skrypt i wiersz 16 wejścia LAMMPS. plik equil. Skrypt wykrywa i odrzuca wartości lz o wartości pierwszych dwóch nanosekund, ponieważ składają się one na część symulacji dotyczącą równowagi.Czas trwania przebiegu równoważenia można zmienić, edytując wiersz 19 pliku. Pozostałe trzy nanosekundy stanowią część produkcyjną i dlatego są wykorzystywane do obliczenia średniej długości wymiaru z. Ponadto skrypt generuje inny plik TXT, który podaje wartości lz w funkcji kroku czasowego, a także plik PNG, który wykreśla te same dane.Wykres może być wykorzystany do weryfikacji równowagi symulacji NPT. Aby zrekonstruować superkomórkę przy użyciu średniej wysokości określonej w NPT, skopiuj wcześniej wygenerowany plik danych do nowego katalogu roboczego i zmień jego nazwę na data.myadsorbate. Następnie edytuj nowy plik danych, aby zmienić zlo na 0,0 i zhi na wartość lz z wartości średniej wyjściowej w pliku TXT.Skopiuj plik wejściowy LAMMPS do nowego katalogu roboczego. Edytuj zmienną grupy w wierszu 32, aby wskazać indeksy typu atomu dla atomów wody, tlenu i wodoru wody, oraz zmienną grupy w wierszu 33, aby wskazać indeksy typu atomu dla atomów platyny i adsorbatu. Następnie w wierszu 16 zmodyfikuj zmienną runStep tak, aby była wystarczająco długa, aby zawierała przebieg równoważenia i przebieg produkcyjny.Wpisz polecenie, aby uruchomić LAMMPS w interfejsie wiersza polecenia, aby uruchomić oprogramowanie LAMMPS. Spowoduje to uruchomienie stałej symulacji NVT na cząsteczkach wody i wygenerowany zostanie kluczowy plik wyjściowy. Symulacja NVT składa się z części równoważącej i części produkcyjnej.Część produkcyjna rozpoczyna się, gdy energia systemu wykreślona w stosunku do czasu wyrówna się. Aby rozpocząć, otwórz skrypt czasu życia wiązania wodorowego. Zmień rzeczywistą zmienną początkową w wierszu 22, aby ustawić krok czasowy pierwszego przedziału czasu.Zmień zmienną kroku czasowego w wierszu 23, aby ustawić częstotliwość zapisywania ramek w pliku trajektorii LAMMPS. Zmień zmienne N_first i N-ostatnie w wierszu 24 i 25, aby ustawić pierwszy i ostatni krok, oraz zmień zmienną nową w wierszu 26, aby ustawić, czy kolejne klatki są brane pod uwagę, czy pomijane. Ustaw liczbę linii na odcinek klatki w pliku trajektorii, zmieniając zmienną linii klatki w wierszu 27.Ponadto edytuj wiersze od 31 do 35, aby określić, które typy atomów w danych należą do adsorbatu, a które typy atomów należą do cząsteczek wody. Skrypt analizuje konfiguracje wody w cyklu produkcyjnym i określa, czy jakiekolwiek cząsteczki wody są związane wodorem z adsorbatem.Następnie zlicza czas symulacji, w którym każde wiązanie wodorowe pozostaje nienaruszone, i podaje tę informację jako rozkład czasu życia wiązania wodorowego w jednostkach pikosekund. LAMMPS zapisuje konfigurację cząsteczek wody do pliku co 1 000 femtosekund, co jest wartością domyślną w dostarczonym pliku wejściowym LAMMPS. Wykrywa i odrzuca konfiguracje o wartości pierwszych dwóch nanosekund w pliku, ponieważ składają się one na część symulacji dotyczącą równowagi, a pozostałe trzy nanosekundy wykorzystuje do obliczenia czasu życia wiązań wodorowych.Aby uruchomić skrypt, wpisz tekst w interfejsie wiersza poleceń. Następnie generuje plik DAT. Wykreśl dane w pliku, aby wyświetlić rozkład czasów życia wiązań wodorowych, które wystąpiły podczas symulacji NVT.Aby określić przyrost czasu, który ma być używany dla interwału próbkowania czasu, należy użyć przyrostu czasu większego lub równego maksymalnemu okresowi życia wiązania wodorowego. Należy określić liczbę konfiguracji od serii produkcyjnej trajektorii NVT FFMD do próbkowania, tak aby minimalny czas między konfiguracjami był równy lub większy niż określony wcześniej interwał pobierania próbek. W poprzednio napisanym skrypcie wyodrębniania ramek edytuj wartość domyślną zmiennej liczby ramek w wierszu 21, aby określić liczbę konfiguracji do wyodrębnienia.Aby uruchomić skrypt, wpisz nazwę skryptu w interfejsie wiersza polecenia. Spowoduje to wyświetlenie listy czasów symulacji odpowiadających konfiguracjom, które powinny zostać wyodrębnione z pliku symulacji NVT. Konfiguracje te mogą być używane jako struktury wyjściowe w symulacjach AIMD lub QM.W tej procedurze wykorzystano FFMD do wygenerowania początkowej konfiguracji cząsteczek wody. Symulacja AIMD pokazuje, że cząsteczka wody, która jest pierwotnie związana wodorem z adsorbatem alkoholu cukrowego na powierzchni platyny-111, abstrahuje wodór od adsorbatu alkoholu i osadza drugi wodór na powierzchni platyny-111. Struktura cząsteczek wody w stanie ciekłym zależy od ustawień wejściowych.Niewłaściwe ich ustawienie może mieć niezamierzony wpływ na struktury wodne. Na tym rysunku lewa strona jest strukturą początkową dla przebiegu FFMD. A prawa strona znajduje się w ciągu jednej pikosekundy od rozpoczęcia symulacji.Symulacja FFMD wybucha z powodu niefizycznie dużych ustawień siły, powodując oddalanie się cząsteczek wody od powierzchni. Konfiguracje mogą być wykorzystywane w mechanice kwantowej lub symulacji QMM lub mogą być wykorzystywane do analizy statystyk związanych z pozycjami przestrzennymi cząsteczek. Technika ta toruje naukowcom drogę do zbadania roli, jaką środowiska reakcji cieczy odgrywają w katalizie, generując rzeczywiste konfiguracje cząsteczek cieczy na granicy faz katalitycznych.

multiscale-sampling-heterogeneous-watermetal-catalyst-interface-using

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Urządzenia milifluidyczne są wykorzystywane do kontrolowanej syntezy nanomateriałów, czasowo-rozdzielczej analizy mechanizmów reakcji i katalizy ciągłego przepływu.

Millifluidyka do syntezy chemicznej i czasowo-rozdzielczych badań mechanistycznych

Miękkie lądowanie masowo wybranych jonów na powierzchniach jest skutecznym podejściem do wysoce kontrolowanego przygotowania nowych materiałów. W połączeniu z analizą za pomocą spektrometrii mas jonów wtórnych in situ (SIMS) i spektroskopii absorpcyjnej odbicia w podczerwieni (IRRAS), miękkie lądowanie zapewnia bezprecedensowy wgląd w interakcje dobrze zdefiniowanych gatunków z powierzchniami.

In Situ Spektroskopia SIMS i IR dobrze zdefiniowanych powierzchni przygotowanych przez miękkie lądowanie jonów o wybranej masie

Ten artykuł opisuje wytwarzanie nanomateriałów z substratu fulerenu Si, które zostało sprawdzone i zweryfikowane za pomocą nanopomiarów i symulacji dynamiki molekularnej.

Sondowanie podłoża krzemowego osadzonego w C84 przy użyciu mikroskopii z sondą skaningową i dynamiki molekularnej

Tutaj prezentujemy protokół do badania struktury i dynamiki wody międzyfazowej w skali atomowej, pod kątem obrazowania w rozdzielczości submolekularnej, manipulacji molekularnej i spektroskopii wibracyjnej pojedynczych wiązań.

Badanie struktury i dynamiki wody międzyfazowej za pomocą skaningowej mikroskopii tunelowej i spektroskopii

Protokół wykorzystujący ulepszoną metodę QM/MM do zbadania wpływu izotopowego na proces podwójnego transferu protonów w porficenie jest przedstawiony tutaj.

Wpływ izotopowy porficenu w procesie podwójnego transferu protonów badany metodą Enhanced QM/MM

Barwnikowe ogniwo słoneczne zostało solwatowane przez RTILs; korzystając z zoptymalizowanych potencjałów empirycznych, zastosowano symulację dynamiki molekularnej do obliczenia właściwości drgań. Uzyskane widma oscylacyjne porównano z dynamiką molekularną eksperymentu i ab initio; Różne widma potencjału empirycznego pokazują, jak parametryzacja ładunku częściowego ładunku cieczy jonowej wpływa na przewidywanie widm wibracyjnych.

Widma drgań granicy faz N719-chromofor/tytan z symulacji empirycznego potencjału dynamiki molekularnej, solwatowane przez ciecz jonową o temperaturze pokojowej

Topnienia i płyny są wszechobecnymi wektorami transportu masowego w systemach naturalnych. Opracowaliśmy pakiet open-source do analizy ab initio symulacji dynamiki molekularnej takich systemów. Obliczamy właściwości strukturalne (wiązanie, klasteryzacja, specjacja chemiczna), transportowe (dyfuzja, lepkość) i termodynamiczne (widmo drgań).

Analiza stopów i płynów z symulacji dynamiki molekularnej ab initio za pomocą pakietu UMD

Profiler mikrodializy jest opisany do pobierania próbek rozpuszczonych substancji rozpuszczonych w wodzie porowej na styku tlenowo-beztlenowym gleba-woda in situ z minimalnymi zakłóceniami. Urządzenie to jest przeznaczone do wychwytywania gwałtownych zmian w profilach stężeń i głębokości wywołanych zakłóceniami na granicy faz gleba-woda i poza nią.

Pobieranie próbek rozpuszczonej substancji rozpuszczonej na tlenowo-beztlenowym granicy faz gleba-woda przy użyciu profilerów mikrodializ

Jako technika analityczna, elektrochemia nanoimpactowa, coraz ważniejsze podejście do liczenia i charakteryzowania elektro-nieaktywnych cząstek w skali nanometrowej, cierpi z powodu niskiej precyzji z powodu niejednorodnych rozkładów prądu, które powstają w wyniku użycia ultramikroelektrod. Przedstawiono tutaj uogólnione podejście, zwane "przerwaniem elektrokatalitycznym", które zwiększa precyzję takich pomiarów.

Precyzyjne wymiarowanie elektrochemiczne poszczególnych cząstek nieaktywnych elektrycznie

W tym artykule opisujemy międzyfazową syntezę sprzężonych mikroporowatych polimerów (CMP) na podłożach protektorowych oraz rozpuszczanie substratu do przygotowania wolnostojących nanomembran CMP. Ponadto opiszemy, w jaki sposób kruche nanomembrany mogą być przenoszone na inne podłoża.

Synteza i transfer warstwa po warstwie wolnostojących mikroporowatych nanomembran polimerowych

Poznaj metodę wieloskalowego pobierania próbek granicy faz woda/katalizator metalowy z wykorzystaniem dynamiki molekularnej i teorii funkcjonału gęstości. Protokół umożliwia modelowanie zjawisk termicznych i kwantowych w heterogenicznej katalizie faz ciekłych.

Wieloskalowe pobieranie próbek heterogenicznego granicy faz woda/katalizator metalowy przy użyciu teorii funkcjonału gęstości i dynamiki molekularnej pola siłowego (Wideo) | JoVE Journal

Wieloskalowe pobieranie próbek heterogenicznego granicy faz woda/katalizator metalowy przy użyciu teorii funkcjonału gęstości i dynamiki molekularnej pola siłowego

Przeglądaj więcej filmów