Вибрационная спектра N719-Хромофор/Титания Интерфейс от Эмпирического-Потенциального Молекулябельно-динамического моделирования, соваренного ионной жидкостью комнатной температуры
25 января 2020 г.
Краситель-сенсибилизированные солнечные батареи были solvated RTILs; с использованием оптимизированных эмпирических потенциалов, моделирование молекулярной динамики было применено для расчета вибрационных свойств. Полученные вибрационные спектры сравнивались с экспериментальной и аб инитио молекулярной динамикой; различные эмпирические потенциальные спектры показывают, как параметризация частичного заряда заряда ионной жидкости влияет на вибрационный спектр.
В этом протоколе рассматривается, насколько хорошо эмпирические потенциальные подходы могут быть адаптированы для решения и разумного прогнозирования структурных и колебательно свойств прототипов систем солнечных батарей, опоясывых красителей. Это важно из-за ошеломляюще сниженных вычислительных подходов с возможностью использования различных подходов к выборке. Для выполнения молекулярно-динамического моделирования откройте DL_POLY программного обеспечения и используйте хорошо проверенное силовое поле Лопеса и др.
для расслабления комнатной температуры ионной жидкой конфигурации с помощью эмпирических потенциалов. Затем используйте силовое поле Мацуи-Акаоги, включая подвижность Титании в процессе релаксации, для моделирования анатазы. Для выполнения оптимизации геометрии с конъюгированным градиентом минимизации относительного градиента прекращения 0.0001, укажите оптимизацию в файле поля в течение 15 пикосекунд с одной фемтосекундной остановкой времени в 300 Кельвин в ансамбле NVT.
Чтобы запустить DL_POLY на терминале, введите DL_POLY. X.In файл управления, укажите Nose-Hoover для NVT и выберите траекторию скорости положения, печатая каждую фемтосекунду. Для поверхности анатазы убедитесь, что она периодически проходит вдоль х и у лабораторных осей, проецирующих на комнатную температуру ионные жидкости пару параллельных поверхностей с х-оси 21 ангстрема и оси 21 ангстрема.
Убедитесь, что сенсибилизированная красителем система солнечных батарей с явным растворителем состоит из 827 атомов. Для вакуол случае, должно быть 347 атомов в системе. В полевом файле для параметров Леннарда-Джонса примените лоренц-Бертелот, сочетающий правила, и введите арифметическое среднее радиуса Леннарда-Джонса и геометрическое среднее глубина леннард-Джонса для эмпирических силовых полей в нижней части файла поля под вкладкой необязанных взаимодействий.
Для обработки электростатики дальнего радиуса действия примените метод Эвальда, используя неоединяемую длину отсечения в 10 ангстремов, и установите реальный параметр распада пространства для метода Эвальда в файле управления примерно 3,14 на длину необялечения. Затем выберите число векторов волн Эвальда, чтобы обеспечить относительную терпимость в оценке Эвальда один раз от 10 до отрицательной пятой в файле управления. Провести ряд потенциальных оценок энергии с файлом REVCON переименован в config до тех пор, пока давление системы в выходе сходится в течение нескольких процентов, чтобы выбрать не связаны длины отсечения.
Из файла истории используйте скорость диатома Python отдельно. py в терминале для извлечения отдельных скоростей x, y и z на каждом шагу. Чтобы вычислить функцию автоматической корреляции скорости, используйте vacf151005.
py и введите classical_dye_autocore. ш в терминал. Функция автоматической корреляции скорости будет вычислена для всех диатомовых.
Чтобы вычислить спектры из молекулярной динамики, используйте массу взвешенных Фурье Преобразование атомной скорости красителя автоматической корреляции функции, используйте Python MWPS. py и введите run_all_4. ш в терминале.
Будут вычислены массы взвешенных спектров мощности. Для оценки частичных наборов изменений в комнатной температуре ионных жидкостей для имперского потенциального базового молекулярного динамического моделирования для готового сравнения друг с другом подготовьтесь к таблице литературных зарядов и введите эту таблицу в формат полевых файлов для DL-POLY. Для расчета комнатной температуры Mulliken ионных жидких зарядов, в среднем более четырех точек траектории молекулярной динамики ab-initio, повторно нормализовать и подготовить таблицу литературы обвинения и войти в таблицу в формате файла поля для DL-POLY.
Для выполнения анализа EHT в среднем более четырех точек траектории молекулярной динамики ab-initio, реализованной в пакете программного обеспечения молекулярной рабочей среды. Повторно нормализовать и подготовить таблицу литературных сборов и выйти на поле в формате полевых файлов для DL-POLY. Здесь показаны репрезентативные связывающие мотивы четырех различных частичных наборов заряда после 15 пикосекунд молекулярной динамики.
Для словесности выведенные заряды как продемонстрировано, видно взаимодействие седить водопода с поверхностным протоном можно наблюдать. Тем не менее, три ab-initio молекулярной динамики производных наборов заряда не имеют такой сильный Куломбическое взаимодействие с поверхностным протоном. Действительно, меньшая величина частичных зарядов в литературе, полученных случае по сравнению с теми, отобранных по-разному от ab-initio молекулярной динамики приводит к меньшей степени заряда экранирования по отношению к большей величине частичной комнатной температуры ионных жидких зарядов.
Интересно, что Mulliken производных заряда набор показывает определенные устойчивые kinking красителя иметь видные связи водорода с преодолением атома кислорода на поверхности анатазы. Лучшее качество заряда подходит от ab-initio молекулярной динамики привести к более реалистичным N719 связывающие мотивы, которые в соответствии с PEV основе Борн-Оппенгеймер молекулярной динамики с участием Grimme-D3 дисперсии. Масса взвешенных ab-initio молекулярной динамики скорости автоматической корреляции функции спектральных результатов демонстрируют кластер спектроскопических пиков на 300 до 400 сантиметров области.
Основные пики, присутствующие в классических спектрах, находятся на уровне 600 и 800 сантиметров для литературных зарядов, 525 и 800 сантиметров для зарядов Mulliken, 675, 810 и 900 сантиметров для зарядов EHT и 650, 800 и 900 сантиметров для набора заряда Хиршфельда. Обязательно проверьте начальную структуру геометрии Титании во всех направлениях. Для оптимизации силовое поле может быть использовано для оценки эмпирического потенциала в колебательном спектре, как и прогнозировалось для молекулярной динамики.
молекулярная динамика ab-initio является эффективной и перспективной стратегией. Использование молекулярной динамики также, вероятно, будет иметь важное значение в моделировании позволяют красителя сенсибилизированных солнечных элементов прототип
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье представлен подробный протокол использования моделирования молекулярной динамики (МД) на основе эмпирических потенциалов для прогнозирования структурных и колебательных свойств интерфейсов сенсибилизированных красителем солнечных элементов (СКСЭ), в частности, красителя N719, адсорбированного на анатазе TiO2 и сольватированного ионной жидкостью комнатной температуры (ИЖКТ). В исследовании оценивается влияние различных параметризаций парциальных зарядов ИЖКТ на точность прогнозирования колебательных спектров путем сравнения результатов эмпирической МД с данными молекулярной динамики ab initio (AIMD) и экспериментальными данными.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Физическая химия
- Вычислительная химия
- Материаловедение
- Молекулярное моделирование
Теоретические основы
- Точное предсказание колебательных спектров для фотоактивных поверхностей оксидов металлов с адсорбированными красителями представляет собой сложную задачу.
- Солнечные элементы, сенсибилизированные красителем (СЭСК), являются перспективными для преобразования солнечной энергии, причем их эффективность зависит от свойств межфазных границ.
- Ионные жидкости с температурой плавления ниже комнатной (RTILs) используются в качестве электролитов в СЭСК, влияя на взаимодействие красителя с поверхностью.
- Молекулярная динамика (MD) с использованием эмпирических потенциалов обеспечивает вычислительную эффективность, но требует тщательной параметризации и валидации.
Цель исследования
- Оценить точность эмпирического потенциала MD при прогнозировании колебательных спектров и структурных свойств интерфейсов DSC.
- Исследовать влияние различных наборов парциальных зарядов RTIL на прогнозы колебательных спектров.
- Сравнить результаты эмпирического MD с данными AIMD и экспериментальными спектрами для валидации.
Используемые методы
- Моделирование молекулярной динамики с использованием DL_POLY с валидированными силовыми полями (Lopez et al. для RTIL, Matsui-Akaogi для анатаза TiO2).
- Оптимизация геометрии и моделирование в NVT-ансамбле при 300 K.
- Применение правил комбинирования Лоренца-Бертоле для параметров Леннард-Джонса и метода Эвальда для расчета дальнодействующей электростатики.
- Извлечение атомных скоростей и расчет функций автокорреляции скоростей.
- Фурье-преобразование функций автокорреляции скоростей, взвешенных по массе, для получения колебательных спектров.
- Сравнение спектров с использованием различных наборов парциальных зарядов (литературных, Малликена, EHT, Хиршфельда), полученных с помощью AIMD и литературных данных.
Основные результаты
- Эмпирическое МД-моделирование с использованием различных наборов зарядов RTIL приводит к получению различных вибрационных спектров и мотивов связывания на интерфейсе DSC.
- Заряды, полученные из литературы, демонстрируют сильные водородные связи с протонами поверхности, в то время как заряды, полученные с помощью AIMD, приводят к более реалистичным мотивам связывания и снижению экранирования заряда.
- Вибрационные спектры, полученные методом эмпирического МД, показывают основные пики на разных частотах в зависимости от набора зарядов, при этом спектры AIMD демонстрируют группу пиков в области 300–400 cm-1.
- Тщательная подгонка и валидация эмпирических силовых полей позволяют с достаточной точностью предсказывать вибрационные свойства DSC.
Выводы
- Эмпирическая потенциальная МД при правильной параметризации и валидации эффективна для прогнозирования вибрационных спектров интерфейсов DSC.
- Параметризация частичных зарядов RTIL существенно влияет на предсказываемые свойства и спектры интерфейса.
- Сочетание эмпирической МД с AIMD и экспериментальной валидацией повышает надежность моделирования фотоактивных интерфейсов.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Точное предсказание вибрационных спектров на границах раздела краситель/оксид металла имеет решающее значение для снижения рисков при разработке материалов на ранних стадиях в области энергетики и оптоэлектроники. В данном протоколе демонстрируется, как молекулярная динамика на основе эмпирических потенциалов при строгом подборе параметров и валидации может обеспечить прогностическое понимание свойств межфазных границ при значительно меньших вычислительных затратах по сравнению с методами ab initio. Такие возможности позволяют быстро проверять гипотезы и проводить сортировку портфеля новых фотоактивных материалов и интерфейсов.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Позволяет исследовать межфазные молекулярные взаимодействия и мотивы связывания, имеющие значение для функциональных характеристик материалов.
- Способствует снижению механистических рисков за счет уточнения влияния параметризации заряда на прогнозируемые спектры и структуру интерфейса.
- Повышает прогностическую уверенность при выборе материалов и принятии решений о целесообразности дальнейшей разработки на ранних этапах прототипирования устройств.
Скрининг и разработка методов анализа
- Подготовка валидированных вычислительных моделей для последующего скрининга комбинаций краситель-поверхность и электролитов.
- Стандартизация результатов моделирования для обеспечения воспроизводимости и возможности перекрестного сравнения с экспериментальными спектрами.
- Обеспечение масштабируемой оценки наборов параметров, что поддерживает рабочие процессы высокопроизводительного вычислительного скрининга.
Трансляционные и доклинические исследования
- Сопоставляет результаты компьютерного моделирования с экспериментальными данными и эталонами ab initio, обеспечивая преемственность при переходе от симуляции к лабораторной проверке.
- Предоставляет основу для продвижения перспективных материалов с учетом рисков на базе количественных спектральных данных.
- Снижает риски, связанные с механистическими неопределенностями при проектировании интерфейса, до начала дорогостоящего экспериментального масштабирования.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный протокол моделирования является частью цикла от открытия до доклинических исследований, связывая компьютерную проверку гипотез с экспериментальной валидацией перспективных материалов.
- Биология открытий: обеспечивает проверку гипотез об эффектах межфазного заряда и связывающих мотивах на молекулярном уровне.
- Скрининг: дает воспроизводимые количественные вибрационные спектры для сравнительной оценки наборов параметров.
- Аналитика: предоставляет спектральные данные с учетом массы и анализ автокорреляции скоростей для принятия обоснованных решений на основе данных.
- Трансляционные исследования: обеспечивают преемственность путем сопоставления эмпирических прогнозов с данными ab initio и экспериментальными данными.
- Корпоративное повторное использование: создает многократно используемый рабочий процесс моделирования, адаптируемый к другим системам красителей, поверхностей и электролитов.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает прогностическую достоверность и снижает механистическую неопределенность при проектировании интерфейсов.
- Операционная ценность: обеспечивает стандартизированные, масштабируемые и воспроизводимые вычислительные рабочие процессы.
- Стратегическая ценность: повышает эффективность использования капитала и способствует принятию более обоснованных решений о продолжении или прекращении разработки (go/no-go) в конвейерах НИОКР по материалам.
- Влияние на портфель: облегчает приоритизацию и продвижение перспективных материалов с учетом рисков.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области молекулярного моделирования, параметризации силовых полей и спектрального анализа.
- Необходим доступ к высокопроизводительной вычислительной инфраструктуре и валидированному программному обеспечению для моделирования (например, DL_POLY).
- Требуется строгая межкомандная стандартизация наборов параметров и форматов данных.
- Адаптация к новым системам требует тщательного назначения зарядов и валидации по экспериментальным данным или данным ab initio.
- Ограничения включают чувствительность к качеству силового поля и необходимость постоянного бенчмаркинга.
