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

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.