Espectro vibracional de uma interface N719-Cromosforre/Titania da Simulação Empírica-Potencial de Dinâmica Molecular, solvated por um líquido iônico de temperatura ambiente
25 de janeiro de 2020
Uma célula solar sensibilizada de tinta foi solizada por RTILs; usando potenciais empíricos otimizados, uma simulação de dinâmica molecular foi aplicada para calcular propriedades vibracionais. Os espectros vibracionais obtidos foram comparados com experimentos e dinâmicamolecular ab initio; vários espectros potenciais empíricos empíricos mostram como a parametrização parcial da carga do líquido iônico afeta a previsão de espectro spectra vibracional.
Este protocolo aborda o quão bem as abordagens potenciais empíricas podem ser adaptadas para atender à previsão razoável de propriedades estruturais e vibracionais de sistemas prototípicos de células solares sensibilizadas por corantes. Isso é importante devido às abordagens de custo computacional surpreendentemente reduzidas com a possibilidade de várias abordagens amostrais. Para realizar uma simulação dinâmica molecular, abra o arquivo de software de simulação DL_POLY e use o campo de força bem validado de Lopez, et al.
para relaxar a configuração do líquido iônico de temperatura ambiente através de potenciais empíricos. Em seguida, use o campo de força Matsui-Akaogi, incluindo a mobilidade da Titania no processo de relaxamento para modelar anatase. Para realizar uma otimização de geometria com um gradiente de gradiente conjugado de gradiente relativo gradiente de 0,0001, especifique a otimização no arquivo de campo para 15 picosegundos com uma parada de tempo femtosegundo em 300 Kelvin em um conjunto NVT.
Para correr DL_POLY no terminal, entre DL_POLY. X.In o arquivo de controle, especifique o Nariz-Hoover para NVT e opte pela impressão da trajetória de velocidade de posição a cada femtosegundo. Para a superfície anatase, certifique-se de que é periódico ao longo dos eixos de laboratório x e y projetando para a temperatura ambiente líquidos iônicos um par de superfícies paralelas com um eixo x de 21 angstroms e um eixo y de 21 angstroms.
Certifique-se de que o sistema de células solares sensibilizadas com corante com um solvente explícito seja composto por 827 átomos. Para o caso em vacuole, deve haver 347 átomos no sistema. No arquivo de campo para parâmetros de Lennard-Jones, aplique Lorentz-Berthelot combinando regras e digite a média aritmética dos raios Lennard-Jones e a média geométrica das profundidades de poço de Lennard-Jones para os campos de força empírica na parte inferior do arquivo de campo sob a guia de interações não ligadas.
Para lidar com eletrostáticos de longo alcance, aplique o método Ewald usando um comprimento de corte não ligado de 10 angstroms e defina o parâmetro de decadência de espaço real para o método Ewald no arquivo de controle a aproximadamente 3,14 por comprimento de corte não ligado. Em seguida, selecione o número de vetores de onda Ewald para garantir uma tolerância relativa na avaliação de Ewald de uma vez 10 para o quinto negativo dentro do arquivo de controle. Realize uma série de avaliações de energia potenciais com um arquivo REVCON renomeado como config até que a pressão do sistema na saída converge para dentro de alguns por cento para selecionar o comprimento de corte não ligado.
Do arquivo histórico, use a velocidade diatom Python separada. py no terminal para extrair as velocidades individuais x, y e z em cada passo. Para calcular a função de correlação automática de velocidade, use vacf151005.
py e entrar classical_dye_autocore. sh para o terminal. A função de correlação automática de velocidade será calculada para todas as diatomás.
Para calcular os espectros da dinâmica molecular, use uma transformação fourier ponderada em massa da função de correlação automática de velocidade atômica do corante, use PYTHON MWPS. py e entrar run_all_4. sh no terminal.
Os espectros de energia ponderados em massa serão computados. Para avaliar os conjuntos de alterações parciais nos líquidos iônicos de temperatura ambiente para simulação dinâmica molecular de base padrão imperial para comparação pronta entre si, prepare uma tabela das cargas de literatura e insira esta tabela no formato de arquivo de campo para DL-POLY. Para calcular as cargas líquidas iônicas de temperatura ambiente mulliken, média acima de quatro pontos da trajetória de dinâmica molecular ab-initio, re-normalizar e preparar uma tabela das cargas de literatura e inserir a tabela em formato de arquivo de campo para DL-POLY.
Para realizar a análise do EHT, a média é superior a quatro pontos da trajetória de dinâmica molecular ab-initio, implementada no pacote de software de ambiente operacional molecular. Re normalize e prepare uma tabela das taxas de literatura e insira o campo no formato de arquivo de campo para DL-POLY. Aqui, são mostrados motivos de vinculação representativa dos quatro conjuntos de carga parcial diferentes após 15 picosegundos de dinâmica molecular.
Para as cargas derivadas da literatura, como demonstrado, uma proeminente interação de ligação de hidrogênio com um próton superficial pode ser observada. No entanto, os três conjuntos de carga derivados da dinâmica molecular ab-initio não apresentam uma interação coulombíbica tão forte com um próton de superfície. De fato, a menor magnitude das cargas parciais no caso derivado da literatura em comparação com as amostradas de várias maneiras da dinâmica molecular ab-initio leva a menor extensão de blindagem de carga em relação à maior magnitude parcial de temperatura ambiente encargos líquidos iônicos.
Curiosamente, o conjunto de carga derivada de Mulliken mostra uma certa torção sustentada do corante para ter uma ligação de hidrogênio proeminente com um átomo de oxigênio de ponte na superfície da anatase. A melhor carga de qualidade se encaixa a partir da dinâmica molecular ab-initio leva a motivos de ligação N719 mais realistas que estão de acordo com a dinâmica molecular de Born-Oppenheimer baseada em PEV com dispersão Grimme-D3. Os resultados espectrais da dinâmica molecular de dinâmica molecular de ab-initio de massa demonstram um conjunto de picos espectroscópicos de 300 a 400 centímetros de região.
Os principais picos presentes no espectro clássico são de 600 e 800 centímetros para as cargas derivadas da literatura, 525 e 800 centímetros para as cargas mulliken, 675, 810 e 900 centímetros para as cargas do EHT, e 650, 800 e 900 centímetros para a carga de Hirshfeld. Certifique-se de verificar a estrutura inicial da geometria da Titania em todas as direções. Para otimizar, o campo de força pode ser usado para avaliar o potencial empírico em espectros vibracionais como previsto para a dinâmica molecular.
a dinâmica molecular ab-initio é uma estratégia eficaz e promissora. O uso da dinâmica molecular também é provável que seja importante na simulação para permitir o protótipo de células solares sensibilizadas por corantes
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Visão Geral
Este artigo apresenta um protocolo detalhado para o uso de simulações de dinâmica molecular (MD) baseadas em potenciais empíricos na previsão das propriedades estruturais e vibracionais de interfaces de células solares sensibilizadas por corante (DSC), com foco específico no corante N719 adsorvido em TiO2 anatase e solvatado por um líquido iônico em temperatura ambiente (RTIL). O estudo avalia como diferentes parametrizações de cargas parciais do RTIL influenciam as previsões dos espectros vibracionais, comparando os resultados da MD empírica com dados de dinâmica molecular ab initio (AIMD) e experimentais.
Componentes Principais do Estudo
Área de Ciência
- Química Física
- Química Computacional
- Ciência dos Materiais
- Simulação Molecular
Antecedentes
- A previsão precisa de espectros vibracionais para superfícies de óxidos metálicos fotoativos com corantes adsorvidos é desafiadora.
- Células solares sensibilizadas por corantes (DSCs) são promissoras para conversão de energia solar, com desempenho influenciado por propriedades da interface.
- Líquidos iônicos à temperatura ambiente (RTILs) são utilizados como eletrólitos em DSCs, afetando as interações entre o corante e a superfície.
- A dinâmica molecular com potenciais empíricos oferece eficiência computacional, mas exige parametrização e validação cuidadosas.
Objetivo do Estudo
- Avaliar a precisão da dinâmica molecular com potencial empírico na previsão de espectros vibracionais e propriedades estruturais de interfaces DSC.
- Investigar o impacto de diferentes conjuntos de cargas parciais de RTIL sobre as previsões de espectros vibracionais.
- Comparar os resultados da dinâmica molecular empírica com espectros de AIMD e experimentais para validação.
Métodos Utilizados
- Simulações de dinâmica molecular utilizando o DL_POLY com campos de força validados (Lopez et al. para RTIL, Matsui-Akaogi para TiO2 anatase).
- Otimização da geometria e simulações no ensemble NVT a 300 K.
- Aplicação das regras combinatórias de Lorentz-Berthelot para os parâmetros de Lennard-Jones e do método de Ewald para eletrostática de longo alcance.
- Extração das velocidades atômicas e cálculo das funções de autocorrelação de velocidade.
- Transformação de Fourier das funções de autocorrelação de velocidade ponderadas pela massa para obter espectros vibracionais.
- Comparação dos espectros utilizando diferentes conjuntos de cargas parciais (literatura, Mulliken, EHT, Hirshfeld) derivados de AIMD e da literatura.
Resultados Principais
- Simulações empíricas de dinâmica molecular com diferentes conjuntos de cargas de LIRT geram espectros vibracionais e motivos de ligação distintos na interface do DSC.
- As cargas derivadas da literatura mostram forte ligação de hidrogênio com prótons da superfície, enquanto as cargas derivadas de AIMD resultam em motivos de ligação mais realistas e menor blindagem de carga.
- Os espectros vibracionais obtidos por dinâmica molecular empírica apresentam picos principais em diferentes frequências dependendo do conjunto de cargas, com os espectros de AIMD exibindo um agrupamento de picos na região de 300–400 cm-1.
- O ajuste cuidadoso e a validação de campos de força empíricos permitem a predição razoável das propriedades vibracionais do DSC.
Conclusões
- A MD com potencial empírico, quando adequadamente parametrizada e validada, é eficaz para prever espectros vibracionais de interfaces de DSC.
- A parametrização da carga parcial de RTILs influencia significativamente as propriedades e espectros interfaciais previstos.
- A combinação de MD empírica com AIMD e validação experimental aumenta a confiabilidade na modelagem de interfaces fotoativas.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
A previsão precisa de espectros vibracionais em interfaces corante/óxido metálico é essencial para reduzir riscos em materiais na fase inicial de pesquisa e desenvolvimento em energia e optoeletrônica. Este protocolo demonstra como a dinâmica molecular baseada em potenciais empíricos, quando rigorosamente parametrizada e validada, pode fornecer informações preditivas sobre propriedades interfaciais a uma fração do custo computacional dos métodos ab initio. Essas capacidades permitem testes rápidos de hipóteses e triagem de portfólios para novos materiais e interfaces fotossensíveis.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Permite a investigação de interações moleculares e motivos de ligação em interfaces relevantes para o desempenho de materiais funcionais.
- Apóia a redução de riscos mecanicistas ao esclarecer o impacto da parametrização de carga sobre espectros previstos e estrutura da interface.
- Facilita a confiança preditiva na seleção de materiais e decisões precoces de prosseguir/não prosseguir no protótipo de dispositivos.
Desenvolvimento de Triagem e Ensaios
- Prepara modelos computacionais validados para triagem subsequente de combinações corante-superfície e eletrólito.
- Padroniza os resultados das simulações para reprodutibilidade e comparação cruzada com espectros experimentais.
- Permite a avaliação escalável de conjuntos de parâmetros, apoiando fluxos de trabalho de triagem computacional de alto rendimento.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Alinha previsões computacionais com referências experimentais e ab initio, apoiando a continuidade translacional da simulação à validação laboratorial.
- Oferece uma estrutura para o avanço ajustado ao risco de materiais candidatos com base em saídas espectrais quantitativas.
- Reduz incertezas mecanicistas no design de interfaces antes da escala experimental dispendiosa.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
Este protocolo de simulação insere-se na continuidade entre descoberta e pré-clínico, conectando a verificação computacional de hipóteses e a validação experimental para materiais avançados.
- Biologia da Descoberta: Apoia a verificação de hipóteses sobre efeitos de carga interfacial e motivos de ligação em nível molecular.
- Triagem: Fornece espectros vibracionais quantitativos e reprodutíveis para avaliação comparativa de conjuntos de parâmetros.
- Análise: Oferece leituras espectrais ponderadas pela massa e análises de autocorrelação de velocidade para decisões sólidas baseadas em dados.
- Pesquisa Translacional: Garante continuidade ao comparar previsões empíricas com dados ab initio e experimentais.
- Reutilização Empresarial: Estabelece um fluxo de trabalho de simulação reutilizável, adaptável a outros corantes, superfícies e sistemas eletrolíticos.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva e reduz a ambiguidade mecanicista no design de interfaces.
- Valor Operacional: Permite fluxos de trabalho computacionais padronizados, escaláveis e reprodutíveis.
- Valor Estratégico: Melhora a eficiência do capital e apoia decisões mais sólidas de prosseguir ou não prosseguir nos processos de P&D de materiais.
- Impacto no Portfólio: Facilita a priorização e o avanço ajustados ao risco dos materiais candidatos.
Considerações sobre a Implementação
- Exige especialização em simulação molecular, parametrização de campos de força e análise espectral.
- Requer acesso a infraestrutura de computação de alto desempenho e software de simulação validado (por exemplo, DL_POLY).
- Exige padronização rigorosa entre equipes quanto aos conjuntos de parâmetros e formatos de dados.
- A adaptação a novos sistemas exige atribuição cuidadosa de cargas e validação frente a dados experimentais ou ab initio.
- As limitações incluem a sensibilidade à qualidade do campo de força e a necessidade de constantes comparações de referência.
