Widma drgań granicy faz N719-chromofor/tytan z symulacji empirycznego potencjału dynamiki molekularnej, solwatowane przez ciecz jonową o temperaturze pokojowej
25 stycznia 2020
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.
Protokół ten określa, w jakim stopniu można dostosować podejścia do potencjału empirycznego, aby zająć się rozsądnym przewidywaniem właściwości strukturalnych i wibracyjnych prototypowych systemów ogniw słonecznych wrażliwych na barwnik. Jest to ważne ze względu na zdumiewająco obniżone podejścia do kosztów obliczeniowych z możliwością różnych podejść do próbkowania. Aby przeprowadzić symulację dynamiki molekularnej, otwórz plik oprogramowania do symulacji DL_POLY i użyj dobrze zweryfikowanego pola siłowego Lopeza i wsp.
Aby rozluźnić konfigurację cieczy jonowej w temperaturze pokojowej za pomocą potencjałów empirycznych. Następnie użyj pola siłowego Matsui-Akaogi, w tym mobilności Tytanii w procesie relaksacji, aby modelować anataz. Aby przeprowadzić optymalizację geometrii z względnym gradientem minimalizacji gradientu sprzężonego wynoszącym 0,0001, określ optymalizację w pliku pola na 15 pikosekund z jednosekundowym zatrzymaniem czasu przy 300 kelwinach w zespole NVT.
Aby uruchomić DL_POLY na terminalu, wprowadź DL_POLY. X.In pliku kontrolnego, określ Nose-Hoover dla NVT i zdecyduj się na drukowanie trajektorii prędkości pozycji co jedną femtosekundę. W przypadku powierzchni anatazu należy upewnić się, że jest ona okresowa wzdłuż osi laboratoryjnych x i y, rzutując na ciecze jonowe o temperaturze pokojowej parę równoległych powierzchni z osią x 21 angstremów i osią y 21 angstremów.
Upewnij się, że uczulony na barwnik system ogniw słonecznych z wyraźnym rozpuszczalnikiem składa się z 827 atomów. W przypadku in wakuola w układzie powinno być 347 atomów. W pliku pola dla parametrów Lennarda-Jonesa zastosuj reguły łączenia Lorentza-Berthelota i wprowadź średnią arytmetyczną promieni Lennarda-Jonesa oraz średnią geometryczną głębokości studni Lennarda-Jonesa dla empirycznych pól sił w dolnej części pliku pola pod zakładką oddziaływań niezwiązanych.
Aby obsłużyć elektrostatykę dalekiego zasięgu, należy zastosować metodę Ewalda przy użyciu niezwiązanej długości odcięcia wynoszącej 10 angstremów i ustawić parametr zaniku przestrzeni rzeczywistej dla metody Ewalda w pliku kontrolnym na około 3,14 na niezwiązaną długość odcięcia. Następnie wybierz liczbę wektorów fal Ewalda, aby zapewnić względną tolerancję w ocenie Ewalda od jednego razy 10 do ujemnej kwinty w pliku kontrolnym. Przeprowadź serię ocen energii potencjalnej za pomocą pliku REVCON o nazwie zmienionej na config, aż ciśnienie systemowe na wyjściu zbiegnie się z dokładnością do kilku procent, aby wybrać niezwiązaną długość odcięcia.
Z pliku historii użyj separate. py prędkości okrzemek w Pythonie w terminalu, aby wyodrębnić poszczególne prędkości x, y i z na każdym kroku. Aby obliczyć funkcję automatycznej korelacji prędkości, użyj vacf151005.
py i wprowadź classical_dye_autocore. sh do terminala. Funkcja automatycznej korelacji prędkości zostanie obliczona dla wszystkich okrzemek.
Aby obliczyć widma na podstawie dynamiki molekularnej, użyj ważonej masą transformaty Fouriera funkcji automatycznej korelacji prędkości atomowej barwnika, użyj MWPS. py Pythona i wprowadź run_all_4. sh w terminalu.
Zostaną obliczone widma mocy ważone masą. Aby ocenić cząstkowe zestawy zmian w cieczach jonowych w temperaturze pokojowej dla symulacji dynamiki molekularnej o potencjale imperialnym w celu gotowego porównania ze sobą, należy przygotować tabelę ładunków literaturowych i wprowadzić tę tabelę do formatu pliku terenowego dla DL-POLY. Aby obliczyć ładunki jonowe cieczy Mulliken w temperaturze pokojowej, uśrednij z czterech punktów trajektorii dynamiki molekularnej ab-initio, ponownie znormalizuj i przygotuj tabelę ładunków literaturowych, a następnie wprowadź tabelę do formatu pliku terenowego dla DL-POLY.
Aby przeprowadzić analizę EHT, należy uśrednić z czterech punktów trajektorii dynamiki molekularnej ab-initio zaimplementowanej w pakiecie oprogramowania molekularnego środowiska operacyjnego. Ponownie znormalizuj i przygotuj tabelę opłat za literaturę, a następnie wprowadź pole do formatu pliku terenowego dla DL-POLY. Pokazano tu reprezentatywne motywy wiążące cztery różne zestawy ładunków cząstkowych po 15 pikosekundach dynamiki molekularnej.
W przypadku ładunków wyprowadzonych w literaturze, jak wykazano, można zaobserwować wyraźne oddziaływanie wiązań wodorowych z powierzchniowym protonem. Jednak trzy zestawy ładunków wywodzące się z dynamiki molekularnej ab-initio nie charakteryzują się tak silnym oddziaływaniem kulombowskim z powierzchniowym protonem. Rzeczywiście, mniejsza wielkość ładunków cząstkowych w przypadku wyprowadzonym w literaturze w porównaniu z tymi próbkowanymi w różny sposób z dynamiki molekularnej ab-initio prowadzi do mniejszego stopnia ekranowania ładunków w stosunku do częściowych ładunków cieczy jonowych o większej wielkości w temperaturze pokojowej.
Co ciekawe, zestaw ładunków pochodzących z Mulliken wykazuje pewne trwałe załamanie barwnika, aby mieć wyraźne wiązanie wodorowe z mostkującym atomem tlenu na powierzchni anatazu. Lepsza jakość dopasowania ładunku wynikająca z dynamiki molekularnej ab-initio prowadzą do bardziej realistycznych motywów wiązania N719, które są zgodne z dynamiką molekularną Borna-Oppenheimera opartą na PEV z dyspersją Grimme-D3. Wyniki spektralne funkcji automatycznej korelacji dynamiki molekularnej ab-initio ważonej masą wykazują klaster pików spektroskopowych w obszarze od 300 do 400 centymetrów.
Główne piki obecne w widmach klasycznych to 600 i 800 centymetrów dla ładunków wyprowadzonych z literatury, 525 i 800 centymetrów dla ładunków Mullikena, 675, 810 i 900 centymetrów dla ładunków EHT oraz 650, 800 i 900 centymetrów dla zestawu ładunków Hirshfelda. Pamiętaj, aby sprawdzić początkową strukturę geometrii Titanii we wszystkich kierunkach. Aby optymalizować, pole siłowe może być wykorzystane do oceny potencjału empirycznego w widmach oscylacyjnych zgodnie z przewidywaniami dla dynamiki molekularnej.
Dynamika molekularna ab-initio jest skuteczną i obiecującą strategią. Wykorzystanie dynamiki molekularnej może być również ważne w symulacji prototypu ogniw słonecznych uwrażliwionych na barwnik
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia szczegółowy protokół wykorzystania symulacji dynamiki molekularnej (MD) opartych na potencjałach empirycznych do przewidywania właściwości strukturalnych i wibracyjnych interfejsów w barwnikowych ogniwach słonecznych (DSC), ze szczególnym uwzględnieniem barwnika N719 zaadsorbowanego na anatazie TiO2 i solwatowanego przez ciecz jonową w temperaturze pokojowej (RTIL). Badanie ocenia, w jaki sposób różne parametryzacje ładunków cząstkowych RTIL wpływają na przewidywania widm wibracyjnych, porównując wyniki empirycznej MD z dynamiką molekularną ab initio (AIMD) oraz danymi eksperymentalnymi.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Chemia fizyczna
- Chemia obliczeniowa
- Inżynieria materiałowa
- Symulacje molekularne
Wstęp
- Dokładne przewidywanie widm wibracyjnych powierzchni tlenków metali aktywnych fotoelektrycznie z zaadsorbowanymi barwnikami jest zadaniem trudnym.
- Ogniwa słoneczne uwrażliwione barwnikiem (DSC) są obiecujące w kontekście konwersji energii słonecznej, a ich wydajność zależy od właściwości międzyfazowych.
- Ciecze jonowe w temperaturze pokojowej (RTIL) są stosowane jako elektrolity w DSC, wpływając na oddziaływania barwnika z powierzchnią.
- Dynamika molekularna (MD) oparta na potencjałach empirycznych zapewnia wydajność obliczeniową, lecz wymaga starannej parametryzacji i walidacji.
Cel badania
- Ocena dokładności empirycznego potencjału MD w przewidywaniu widm wibracyjnych i właściwości strukturalnych interfejsów DSC.
- Zbadanie wpływu różnych zestawów ładunków cząstkowych RTIL na przewidywania widm wibracyjnych.
- Porównanie wyników empirycznego MD z AIMD i widmami eksperymentalnymi w celu walidacji.
Zastosowane metody
- Symulacje dynamiki molekularnej z wykorzystaniem programu DL_POLY z walidowanymi polami siłowymi (Lopez et al. dla RTIL, Matsui-Akaogi dla anatazu TiO2).
- Optymalizacja geometrii oraz symulacje w zespole NVT w temperaturze 300 K.
- Zastosowanie reguł łączenia Lorentza-Berthelota dla parametrów Lennarda-Jonesa oraz metody Ewalda dla elektrostatyki dalekosiężnej.
- Ekstrakcja prędkości atomowych i obliczanie funkcji autokorelacji prędkości.
- Transformacja Fouriera funkcji autokorelacji prędkości ważonych masowo w celu uzyskania widm wibracyjnych.
- Porównanie widm z zastosowaniem różnych zestawów ładunków cząstkowych (literaturowych, Mullikena, EHT, Hirshfelda) pochodzących z AIMD i literatury.
Główne wyniki
- Empiryczne symulacje MD z różnymi zestawami ładunków RTIL dają odmienne widma wibracyjne i motywy wiązania na interfejsie DSC.
- Ładunki pochodzące z literatury wykazują silne wiązania wodorowe z protonami powierzchniowymi, podczas gdy ładunki pochodzące z AIMD skutkują bardziej realistycznymi motywami wiązania i zredukowanym ekranowaniem ładunku.
- Widma wibracyjne z empirycznej MD wykazują główne piki przy różnych częstotliwościach w zależności od zestawu ładunków, przy czym widma AIMD wykazują skupisko pików w regionie 300–400 cm-1.
- Staranne dopasowanie i walidacja empirycznych pól siłowych umożliwiają rozsądne przewidywanie właściwości wibracyjnych DSC.
Wnioski
- MD z potencjałem empirycznym, przy odpowiedniej parametryzacji i walidacji, jest skuteczne w przewidywaniu widm wibracyjnych interfejsów DSC.
- Parametryzacja ładunków cząstkowych RTIL istotnie wpływa na przewidywane właściwości i widma międzyfazowe.
- Połączenie empirycznego MD z AIMD oraz walidacją eksperymentalną zwiększa niezawodność modelowania interfejsów fotoaktywnych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Dokładne przewidywanie widm wibracyjnych na granicach faz barwnik/tlenek metalu jest kluczowe dla minimalizacji ryzyka we wczesnych etapach rozwoju materiałów w badaniach nad energią i optoelektroniką. Niniejszy protokół demonstruje, w jaki sposób dynamika molekularna oparta na potencjałach empirycznych, przy rygorystycznej parametryzacji i walidacji, może dostarczyć predykcyjnych informacji o właściwościach międzyfazowych przy ułamku kosztów obliczeniowych metod ab initio. Takie możliwości umożliwiają szybkie testowanie hipotez i wstępną selekcję portfolio nowych materiałów i interfejsów fotoaktywnych.
Zastosowania strategiczne w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wstępne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia badanie międzyfazowych oddziaływań molekularnych i motywów wiązania istotnych dla właściwości funkcjonalnych materiałów.
- Wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez wyjaśnienie wpływu parametryzacji ładunku na przewidywane widma i strukturę międzyfazową.
- Zwiększa pewność predykcyjną w wyborze materiałów oraz ułatwia wczesne podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu prac przy prototypowaniu urządzeń.
Przesiewanie i opracowanie testu
- Przygotowuje zwalidowane modele obliczeniowe do późniejszego przesiewania kombinacji barwnik-powierzchnia oraz elektrolitów.
- Standaryzuje wyniki symulacji w celu zapewnienia powtarzalności i możliwości porównania z widmami eksperymentalnymi.
- Umożliwia skalowalną ocenę zestawów parametrów, wspierając przepływy pracy w wysokoprzepustowym przesiewaniu obliczeniowym.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Zgadza przewidywania obliczeniowe z wzorcami eksperymentalnymi i ab initio, wspierając ciągłość translacyjną od symulacji do walidacji laboratoryjnej.
- Zapewnia ramy dla rozwoju materiałów kandydujących z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o ilościowe wyniki spektralne.
- Minimalizuje ryzyko niepewności mechanistycznych w projektowaniu interfejsów przed kosztownym skalowaniem eksperymentalnym.
Integracja potoku i przepływu pracy
Niniejszy protokół symulacyjny wpisuje się w kontinuum od odkrycia do fazy przedklinicznej, stanowiąc pomost między komputerowym testowaniem hipotez a walidacją eksperymentalną w zakresie zaawansowanych materiałów.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących efektów ładunku międzyfazowego oraz motywów wiązania na poziomie molekularnym.
- Przesiewanie: Dostarcza powtarzalnych, ilościowych widm wibracyjnych do porównawczej oceny zestawów parametrów.
- Analityka: Zapewnia odczyty spektralne ważone masowo oraz analizy autokorelacji prędkości w celu podejmowania solidnych decyzji w oparciu o dane.
- Badania translacyjne: Zapewnia ciągłość poprzez zestawianie przewidywań empirycznych z danymi ab initio oraz danymi eksperymentalnymi.
- Wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia reużywalny przepływ pracy symulacyjnej, który można dostosować do innych systemów barwników, powierzchni i elektrolitów.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną i zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w projektowaniu interfejsów.
- Wartość operacyjna: Umożliwia standaryzację, skalowalność i powtarzalność obliczeniowych przepływów pracy.
- Wartość strategiczna: Poprawia efektywność kapitałową i wspiera lepsze decyzje typu go/no-go w procesach B+R nad materiałami.
- Wpływ na portfolio: Ułatwia priorytetyzację i rozwój materiałów kandydackich z uwzględnieniem korekty o ryzyko.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w zakresie symulacji molekularnych, parametryzacji pól siłowych oraz analizy widmowej.
- Konieczny jest dostęp do infrastruktury obliczeniowej o wysokiej wydajności oraz zwalidowanego oprogramowania do symulacji (np. DL_POLY).
- Wymagana jest rygorystyczna standaryzacja zestawów parametrów i formatów danych pomiędzy zespołami.
- Adaptacja do nowych systemów wymaga starannego przypisania ładunków oraz walidacji w oparciu o dane eksperymentalne lub ab initio.
- Ograniczenia obejmują wrażliwość na jakość pola siłowego oraz konieczność prowadzenia ciągłych analiz porównawczych (benchmarking).
