Amostragem múltipla escala de uma Interface de catalisador heterogêneo água/Metal usando a teoria do funcional da densidade e do campo de força dinâmica Molecular

Os modelos de protocolo, fenômenos térmicos e quânticos em fase líquida de catalise heterogênea. É o primeiro, ao nosso conhecimento, a incorporar a mecânica quântica com amostragem completa de um ambiente líquido explícito. As configurações de moléculas líquidas geradas a partir deste protocolo representam as esperadas em condições reais de reação e podem ser usadas para explorar fenômenos de nível molecular que dependem dos arranjos espaciais das moléculas.

As configurações de moléculas líquidas geradas por este protocolo fornecem insights sobre os papéis que o solvente desempenha na fase líquida catálise heterogênea. Se você está testing este protocolo pela primeira vez, recomendo que você primeiro garanta que você tenha acesso e possa executar o software VASP, MCPliQ, VMD e LAMMPS. Demonstrando o procedimento será Tianjun Xie, um estudante de pós-graduação do meu laboratório.

Depois de gerar a estrutura adsorbate, gere os arquivos de entrada LAMMPS para uma simulação de NPT e equilibre o volume da célula usando FFMD. Copie o arquivo de entrada LAMMPS no diretório de trabalho. Edite a variável de grupo na linha 34 para indicar os índices do tipo átomo para os átomos de oxigênio da água e hidrogênio da água.

Na variável grupo na linha 35, para indicar os índices do tipo átomo para os átomos de platina e adsorbato. Na linha 17 do arquivo de entrada, edite a variável etapa de execução para definir a duração da simulação NPT tempo suficiente para incluir uma execução de equilíbrio e uma execução de produção. Execute o software LAMMPS, digitando o comando na interface de linha de comando, que inclui as informações do número de núcleos de CPU para usar e o nome do LAMMPS executável.

A minimização de energia refina a configuração da molécula de água e é seguida por uma simulação de FFMD realizada em número constante de moléculas de água, volume e temperatura para levar a água à temperatura da simulação. Outra simulação FFMD é então executada em número constante de moléculas de água, pressão e temperatura para determinar a altura fisicamente correta da caixa de simulação. Os arquivos de saída serão usados mais tarde.

Após a simulação do NPT, plote a altura da supercélula contra o tempo. O ponto em que ele se nivela para um valor de estado estável é o ponto na simulação NPT quando a produção pode começar. Verifique o equilíbrio da simulação do NPT, garantindo que as flutuações na altura da supercélula sejam mínimas ou tenham convergido para um valor constante.

Se ocorrerm grandes flutuações, abra a entrada. equil arquivo e diminuir o passo de tempo na linha 92 para regenerar a configuração da molécula de água e executar o software LAMMPS como antes. Para começar, digite a interface de linha de comando para executar o script.

Este script produz a altura média da supercélula da parte de execução de produção da simulação NPT para um arquivo TXT. O script lê o comprimento da dimensão z da célula em intervalos de 1.000 femtosegundos, que é o intervalo padrão para impressão de informações em LAMMPS. Se um intervalo de impressão diferente for desejado, ele pode ser alterado pela linha de edição 20 da get_npt_lz.

py script e linha 16 de entrada LAMMPS. arquivo equil. O script detecta e descarta os dois primeiros nanossegundos do valor dos valores lz, pois compreendem a parte de equilíbrio da simulação.

A duração da execução de equilíbrio pode ser alterada pela linha de edição 19 do arquivo. Os três nanossegundos restantes compõem a porção de produção e, portanto, são usados para calcular o comprimento médio da dimensão Z. Além disso, o script produz outro arquivo TXT que fornece valores de lz em função do passo de tempo, bem como um arquivo PNG, que plota os mesmos dados.

O enredo pode ser usado para verificar o equilíbrio da simulação do NPT. Para reconstruir a supercélula usando a altura média determinada no NPT, copie o arquivo de dados gerado anteriormente em um novo diretório de trabalho e renomeie-o como data.myadsorbate. Em seguida, edite o novo arquivo de dados para alterar zlo para 0.0 e zhi para o valor lz a partir da saída de valor médio no arquivo TXT.

Copie o arquivo de entrada LAMMPS no novo diretório de trabalho. Edite a variável de grupo na linha 32 para indicar os índices do tipo átomo para os átomos de oxigênio da água e hidrogênio da água e a variável grupo na linha 33 para indicar os índices do tipo átomo para os átomos de platina e adsorbate. Em seguida, na linha 16, edite a variável runStep para que seja longa o suficiente para incluir uma corrida de equilíbrio e uma execução de produção.

Digite o comando para executar LAMMPS na interface de linha de comando para executar o software LAMMPS. Isso executará uma simulação NVT constante nas moléculas de água, e o arquivo de saída chave é gerado. A simulação de NVT compreende uma parte de equilíbrio e uma parte de produção.

A parte de produção começa quando a energia do sistema plotada contra os níveis de tempo desligados. Para começar, abra o script vitalício da ligação de hidrogênio. Altere a variável inicial real na linha 22 para definir o passo do tempo do primeiro período de tempo.

Altere a variável timestep na linha 23 para definir com que frequência os quadros são escritos no arquivo de trajetória LAMMPS. Altere N_first e N-última variáveis na linha 24 e 25 para definir os primeiros e últimos passos do tempo, e altere a variável nevery na linha 26 para definir se quadros consecutivos são considerados ou ignorados. Defina o número de linhas por seção de quadro do arquivo de trajetória alterando a variável da linha de quadro na linha 27.

Além disso, edite as linhas 31 a 35, para especificar quais tipos de átomos dentro dos dados. o arquivo myadsorbate pertence ao adsorbate, e quais tipos de átomos pertencem às moléculas de água. O script analisa as configurações de água na execução da produção e determina se alguma molécula de água está ligada a hidrogênio ao adsorbato.

Em seguida, conta o tempo de simulação de que cada ligação de hidrogênio permanece intacta e relata essas informações como uma distribuição de vida útil de ligação de hidrogênio em unidades de picosegundos. O LAMMPS grava a configuração de moléculas de água no arquivo a cada 1.000 femtosegundos, que é o padrão no arquivo de entrada LAMMPS fornecido. Ele detecta e descarta os dois primeiros nanossegundos de configurações no arquivo, pois compreendem a parte de equilíbrio da simulação e usa os três nanossegundos restantes para calcular as vidas de ligação de hidrogênio.

Para executar o script, digite na interface de linha de comando. Em seguida, gera um arquivo DAT. Plote os dados no arquivo para visualizar a distribuição de vida útil de títulos de hidrogênio que ocorreu durante a simulação NVT.

Para determinar o incremento de tempo a ser usado para o intervalo de amostragem de tempo, use um incremento de tempo maior ou igual à vida útil máxima da ligação de hidrogênio. Determine o número de configurações a partir da execução de produção da trajetória NVT FFMD para amostrar de tal forma que o tempo mínimo entre as configurações seja igual ou maior do que o intervalo de amostragem de tempo identificado anteriormente. No script de extração de quadros escrito anteriormente, edite o valor padrão para a variável número de quadros na linha 21 para especificar o número de configurações a serem extraídas.

Para executar o script, digite o nome do script na interface de linha de comando. Isso irá produzir uma lista de tempos de simulação correspondentes às configurações que devem ser extraídas do arquivo de simulação NVT. Essas configurações podem ser usadas como estruturas de partida em simulações AIMD ou QM.

Neste procedimento, o FFMD foi utilizado para gerar a configuração inicial das moléculas de água. A simulação AIMD mostra que uma molécula de água que é originalmente ligada a hidrogênio a um adsorbate de álcool açúcar em uma superfície de platina-111 abstrai o hidrogênio do adsorbate do álcool e deposita um segundo hidrogênio na superfície de platina-111. As estruturas das moléculas de água líquida dependem das configurações de entrada.

Definir essas influências inadequadas pode ter influências não intencionais nas estruturas da água. Nesta figura, o lado esquerdo é a estrutura inicial para uma corrida FFMD. E o lado direito está a um segundo de iniciar a simulação.

A simulação FFMD explode devido a configurações de força unphysicamente grandes, fazendo com que as moléculas de água se movam para longe da superfície. As configurações podem ser usadas na mecânica quântica, ou simulação QMM, ou podem ser usadas para analisar estatísticas relacionadas às posições espaciais das moléculas. Essa técnica abre caminho para os pesquisadores explorarem os papéis que os ambientes de reação líquida têm sobre a catálise, gerando configurações reais de moléculas líquidas em interfaces catalíticas.