Name: multiscale sampling of a heterogeneous water/metal catalyst interface using density functional theory and force-field molecular dynamics
Uploaded: 2019-04-12T14:45:00
Duration: 10 min 52 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Multiscale Sampling of a Heterogeneous Water/Metal Catalyst Interface using Density Functional Theory and Force-Field Molecular Dynamics at JoVE.com

מחקר זה מומן על ידי הקרן הלאומית למדע דרך פרס מספר CBET-1438325. מלגת תמיכה CJB דרך נאס א הדרכה גרנט NX14AN43H הוא הודה בהכרת תודה. סימולציות בוצעו על האשכול מחשב על הדקלים, אשר נשמר על ידי קבוצת הטכנולוגיה Cyberinfrastructure ב אוניברסיטת קלמסון. אנו מודים ד ר פול ג' Meza-מוראלס לבדיקת הפרוטוקול.

1. ליצור את מבנה adsorbate
<ol><li>צור קובץ VASP POSCAR הכוללת של supercell עם תנאי גבול תקופתי, כפי שהיית עושה אם היו מבצע סימולציות של adsorbates על משטחי מתכת תחת ואקום. Supercell צריכה לכלול את הניחוש הראשוני של המבנה adsorbate משטח מתכת וכן ואקום בחלל מעל adsorbate עבור הוספת H2O מולקולות. פרטים על איך לעשות את זה הינם מסופקים בחדרי העבודה הקודמת35,44. הערה: חשוב כי הגובה של המרחב ואקום להיות לפחות 12 Å מעל adsorbate.</li>
	<li>תוכלו להירגע על המבנה, למזער את האנרגיה שלה באמצעות הקוד VASP. פרטים על איך לעשות את זה הינם מסופקים בחדרי העבודה הקודמת35,44. זה יהיה לייצר קובץ בשם CONTCAR, אשר ייעשה שימוש בסעיף הבא.</li>
</ol>2. מוסיפים מולקולות מפורשת של2O H
<ol><li>להוסיף מולקולות המים N החלל ואקום CONTCAR שנוצר בשלב 1.2 באמצעות הקוד MCPliQ, שבו N = ρV, ρ היא הצפיפות של מים, ו- V הוא נפח החלל ואקום מעל adsorbate. הערה: ρ צריך להתייחס כמו צפיפות המים כפי שנקבע על ידי דגם TIP3P/CHARMM מים בטמפרטורה סימולציה. V מעודן בשלב הבא.<ol>
<li>ציין את הפרטים הבאים בקובץ master_input.txt MCPliQ: מספר מולקולות2O H כדי להוסיף (N) על-ידי שינוי בארגומנט הראשון קו 28, הנתיב לקובץ ה-water.txt על-ידי שינוי הארגומנט השני בשורה 28, תוך מזעור ו גובה מקסימלי של supercell זה יכול להיות כבוש על ידי מולקולות מים על-ידי שינוי את קואורדינטת ה - מינימום z בשורה 11 ו את קואורדינטת ה - מקסימום z בשורה 12.</li>
		<li>הפעל את הקוד MCPliQ על-ידי הקלדת mcpliq מתוך ממשק שורת פקודה כדי להוסיף מולקולות מים לתוך קובץ ה-CONTCAR. הקוד יהיה הפלט קובץ אחד או יותר עם סיומת הקובץ של. POSCAR. הערה: אם אחד או יותר קבצי POSCAR מיוצרים, הם תיקרא POSCAR_n.POSCAR. בחר את הקובץ כאשר n הוא הגדול ביותר.</li>
	</ol>
</li>
	<li>צור את הקבצים קלט LAMMPS סימולציה NPT, equilibrate נפח התאים באמצעות FFMD ההרכב NPT ב- LAMMPS.<ol>
<li>לבצע את lmps_bond_angle.py סקריפט ב-. POSCAR קובץ שנוצר בשלב 2.1.2 על-ידי הקלדת lmps_bond_angle.py $filename. POSCAR -ממשק שורת פקודה, שבו $filename הוא שמו של. POSCAR קובץ שנוצר בשלב 2.1.2. קובץ script זה יוצר קובץ בשם $filename. POSCAR.bond_angle_info.txt המפרטת את איגרות החוב וזוויות שישמש בקובץ הנתונים LAMMPS.</li>
		<li>לפתוח את גילוי תנועה בווידאו, בחר File > מולקולה חדשה בחלון הראשי כדי לפתוח את חלון הדפדפן קובץ מולקולה . בחר VASP_POSCAR מתוך התפריט הנפתח לקבוע סוג קובץ . לחץ על עיון ונווט אל $filename. קובץ POSCAR. לחץ על טען כדי לפתוח את $filename. קובץ POSCAR.</li>
		<li>פתח את מסוף Tk תוך גילוי תנועה בווידאו על-ידי בחירת הרחבות > מסוף Tk מהחלון הראשי גילוי תנועה בווידאו.</li>
		<li>לבצע את הפקודה הבאה במסוף Tk: הטופוגרפית writelammpsdata $WDPATH/data.myadsorbate מלאה, איפה $WDPATH הספריה במחשב שבו גילוי תנועה בווידאו יכתוב את קובץ הנתונים של LAMMPS ו- data.myadsorbate הוא שמו של קובץ הנתונים LAMMPS.</li>
		<li>למחוק המקטע חוב וזוויות בתחתית הקובץ data.myadsorbate. לאחר מכן, צרף את רשימות קשר, זווית בקובץ $filename. POSCAR.bond_angle_info.text לתוך data.myadsorbate. הערה: את האינדקסים עבור סוג הקשר O-H ו- H-O-H סוג זווית עבור מולקולות מים ב $filename. קובץ POSCAR.bond_angle_info.txt מוגדרים שניהם ל- 1. לפיכך, סוגי קשר, זווית עבור adsorbates צריך להתחיל לספור ב 2.</li>
		<li>ערוך את הקובץ data.myadsorbate על-ידי הוספת הפרמטרים לנארד-ג'ונס המקטע זוג Coeffs ואת הפרמטרים הקולומבית בסעיף אטומים . לנארד-ג'ונס ופרמטרים הקולומבית H2O מולקולות, אטומים adsorbate, ו אטומי משטח המתכת צריך להתווסף. הערה: הפרמטרים לנארד-ג'ונס Pt אטומים, מולקולות המים של adsorbate אטומי פרוטוקול זה מתקבלים מן UFF38, TIP3P/CHARMM37, שדות-כוח39 OPLS-AA, בהתאמה. הקולומבית פרמטרים עבור אטומים מולקולות, adsorbates המים מתקבלים TIP3P/CHARMM37 , שדות-כוח39 OPLS-AA, בהתאמה. הקולומבית פרמטרים עבור אטומים Pt מוגדרות ל- 0 במפתח פרוטוקול זה. לחלופין, חיובים חלקית המחושבת יכול לשמש עבור הפרמטרים הקולומבית עבור אטומים adsorbate ו- Pt אטומים.</li>
		<li>להעתיק את input.equil קובץ הקלט LAMMPS הספריה $WDPATH. לערוך המשתנה קבוצה על קו 34 כדי לציין את האינדקסים סוג אטום החמצן במים, אטומי המימן של המים ואת המשתנה קבוצה בקו 35 כדי לציין סוג אטום האינדקסים עבור האטומים Pt ו- adsorbate.</li>
		<li>להפעיל את התוכנה LAMMPS על-ידי הקלדת mpiexec - np XX lmp_mpi < input.equil -הממשק של שורת פקודה, שבו XX הוא מספר ליבות CPU כדי להשתמש, lmp_mpi הוא שמו של קובץ ההפעלה LAMMPS. עושה את זה יפעל וצמצום אנרגיה כדי לחדד את תצורת2O H, ואחריו סימולציה FFMD ביצע מספר קבוע של מולקולות H2O (N), נפח (V), וטמפרטורה (T) להביא מים הטמפרטורה סימולציה, ואחריו סימולציה FFMD לרוץ במהירות קבועה N, לחץ (P), וטמפרטורה (T) כדי לקבוע את גובה פיזית נכונה של תיבת סימולציה. קבצי פלט זה ייעשה שימוש בסעיף 3 נקראים data.myadsorbate_npt ו log.myadsorbate. הערה: משך הזמן של הסימולציה NPT צריכה זמן מספיק כדי המרכיבים של "equilibration" לפעול, מהיכן מגיע היקף supercell מצב יציב, "הפקה" לרוץ, אשר משמש מדגם שהממוצע של ההרכב (כאן, גובה supercell) במהלך הריצה equilibration, צריך כמות supercell כאשר המותוות נגד הזמן תייצבי לערך מצב יציב. לאחר שהדבר מתרחש, ניתן לומר את הסימולציה NPT להיות בייצור שלה לרוץ. ודא equilibration של הסימולציה NPT על-ידי הבטחת כי התנודות בשיא supercell (הנחיתה) הן מינימליות או יש נפגשות על ערך קבוע. אם בתנודות גדולות מתרחשות, ליצור מחדש תצורה2O H על-ידי הפחתת את timestep על קו 92 input.equil קובץ, חוזר שלב 2.2.8 או מתחיל שוב שלב 2.1.1.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. לחלץ את הגובה המתאים של supercell
<ol><li>לבצע את התסריט get_npt_lz.py על קובץ ה-log.myadsorbate על-ידי הקלדת get_npt_lz.py log.myadsorbate -הממשק של שורת פקודה. קובץ script זה פלטי הגובה הממוצע supercell מחלק "הייצור" להפעיל הסימולציה NPT בקובץ avg_lz.txt. הערה: התסריט get_npt_lz.py מבוסס על ההנחה כי LAMMPS כותב אורך תא z-המימד (הנחיתה) לקובץ ה-log.myadsorbate כל fs 1000 (להתאמה אישית-קו 20 של התסריט get_npt_lz.py), שהיא האפשרות שבברירת המחדל בקובץ הקלט LAMMPS input.equil שסופקו. התסריט get_npt_lz.py מזהה ומבטלת את 2 הראשון ns (להתאמה אישית על קו 19 של התסריט get_npt_lz.py) בשווי של הנחיתה ערכים בקובץ log.myadsorbate, כמו שהם מהווים את החלק equilibration של הסימולציה, תוך 3 הנותרים ns מהווים " מנת ייצור"ובכך ומשמשים הסקריפט get_npt_lz.py לחשב את האורך הממוצע z-ממד. בנוסף הקובץ avg_lz.txt, התסריט get_npt_lz.py פלטי קובץ בשם npt_data.txt, אשר מספק ערכים של הנחיתה כפונקציה של timestep, וכן קובץ בשם npt_plot.png, אשר מתווה את אותם נתונים. העלילה יכול לשמש כדי לוודא equilibration של הסימולציה NPT.</li>
	<li>לשחזר את supercell באמצעות הגובה הממוצע נקבע NPT.<ol>
<li>העתק את הקובץ data.myadsorbate_npt לתוך ספריה חדשה, המכונה כאן כמו $WD2PATH, ושנה אותה data.myadsorbate.</li>
		<li>עריכת קובץ ה-data.myadsorbate החדש כך גובה הנחיתה הוא שווה ערך הממוצע הפלט מהתסריט get_npt_lz.py על-ידי שינוי הארגומנטים zlo ו- zhi בקובץ ה-data.myadsorbate כך zlo הוא 0.0 והוא zhi הערך הנחיתה מהקובץ avg_lz.txt מיוצר s tep 3.1.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. ליצור תצורות של מולקולות2O H
<ol><li>להעתיק את input.prod קובץ הקלט LAMMPS $WD2PATH. לערוך המשתנה קבוצה בקו 32 כדי לציין את האינדקסים סוג אטום החמצן במים, אטומי המימן של המים ואת המשתנה קבוצה על קו 33 כדי לציין סוג אטום האינדקסים עבור האטומים Pt ו- adsorbate.</li>
	<li>להפעיל את התוכנה LAMMPS על-ידי הקלדת mpiexec - np XX lmp_mpi < input.prod לתוך ממשק שורת פקודה, שבו XX הוא מספר ליבות CPU כדי להשתמש, lmp_mpi הוא שמו של קובץ ההפעלה LAMMPS. עושה את זה יפעל סימולציה ערכת תווים NVT קבוע שהמולקולות2O H. קובץ הפלט מפתח של סימולציה זה הוא הקובץ dump.myadsorbate.lammpstrj. הערה: משך הזמן של הסימולציה ערכת תווים NVT צריכה זמן מספיק כדי המרכיבים של equilibration לפעול, שבו האנרגיה של המערכת באה כדי לייצב את המדינה, הפקה לרוץ, שממנו ממוצעים ההרכב (כאן, את העמדות המרחבי של מולקולות מים)? לטעום. במהלך הריצה equilibration, האנרגיה של המערכת כאשר המותוות נגד הזמן צריך גובה לערך מצב יציב. לאחר שהדבר מתרחש, ניתן לומר את הסימולציה ערכת תווים NVT להיות בייצור שלה לרוץ.</li>
</ol>5. לקבוע את אורך החיים של קשר מימן לדיגום זמן עצמי
<ol><li>עריכת קובץ ה-script hb_lifetime_dist.py כדי לציין: timestep של המסגרת הראשונה של קובץ ה-dump.myadsorbate.lammpstrj על-ידי שינוי המשתנה actualStart בשורת 22, באיזו תדירות מסגרות נכתבות בקובץ מסלול ' LAMMPS ' על-ידי שינוי המשתנה timestep על קו 23, הראשונה והאחרונה timesteps ה-script כדאי לשקול (דהיינו, החלק הייצור של המסלול) על-ידי שינוי המשתנים N_first ו- N_last על קווים 24 ו- 25, אם מסגרות רצופים נחשבים או מסגרות מדלגים על-ידי שינוי של nevery משתנה בקו 26, ואת מספר השורות בכל מסגרת מקטע של קובץ מסלול על-ידי שינוי המשתנה frameLine על קו 27. בנוסף, עריכת שורות 31 באמצעות 35 כדי לציין סוגי אטום בתוך קובץ ה-data.myadsorbate שייכות adsorbate נחלתו אטום סוגי מולקולות2O H. הערה: התסריט hb_lifetime_dist.py מנתח את תצורות2O H בטווח ייצור או קובעת אם כל H2O מולקולות מימן מלטשים את adsorbate. אז ספירת הזמן סימולציה את מימן כל הקשר הזה נשאר שלם, מדווח על מידע זה כמו בהתפלגות של תקופות חיים קשר מימן ביחידות של ps. הגירסה הספציפית של קובץ ה-script המסופק עם פרוטוקול זה מבוסס על ההנחה כי LAMMPS כותב התצורה של מולקולות2O H לקובץ ה-dump.myadsorbate.lammpstrj fs כל 1000, שהיא האפשרות שבברירת המחדל בקובץ הקלט LAMMPS input.prod שסופקו. זה מזהה ומבטלת את 2 הראשון ns בשווי של תצורות dump.myadsorbate.lammpstrj הקובץ, כמו שהם מהווים את החלק equilibration של סימולציה, וכן שימושים 3 הנותרים ns לחישוב אורך חיים של קשר מימן.</li>
	<li>לבצע את התסריט hb_lifetime_dist.py על קובץ ה-dump.myadsorbate.lammpstrj על-ידי הקלדת hb_lifetime_dist.py -הממשק של שורת פקודה. עושה את זה, תיצור קובץ בשם distribution_HB_lifetime.dat.</li>
	<li>להתוות את הנתונים בקובץ distribution_HB_lifetime.dat כדי להציג את ההפצה של תקופות חיים קשר מימן שאירעו במהלך ההדמיה ערכת תווים NVT.</li>
	<li>לקבוע תוספת זמן לשימוש עבור מרווח הדגימה הזמן בהתבסס על משכי חיים קשר מימן מחושב. הבחירה הטובה ביותר היא אורך החיים המקסימלי קשר מימן; לחלופין, ניתן להשתמש ערך שלכדו את מרווח ביטחון של 95%.</li>
</ol>6. דוגמה תצורות של מולקולות נוזלי של2O H
<ol><li>לקבוע את מספר תצורות של ההפעלה ייצור של המסלול FFMD ערכת תווים NVT לחישובים נוספים. יש לבחור את מספר תצורות כך הזמן המינימלי בין תצורות היא שווה או גדול יותר מרווח הזמן דגימה מזוהה בסעיף 5.<ol>
<li>לערוך את ערך ברירת המחדל עבור המשתנה num_frames על קו 21 של התסריט lammps_frames.py כדי לציין את מספר תצורות כדי לחלץ.</li>
		<li>לבצע את התסריט lammps_frames.py על dump.myadsorbate.lammpstrj הקובץ על-ידי הקלדת lammps_frames.py -הממשק של שורת פקודה. עושה את זה יהיה הפלט רשימה של סימולציה פעמים התואם התצורות שבהן אמור להיות מופק את הקובץ dump.myadsorbate.lammpstrj. תצורות אלה יכולים לשמש החל מבני AIMD או QM סימולציות. הערה: 1) את התסריט lammps_frames.py אוטומטית מזהה את יומן LAMMPS, קבצי dump, כמו גם את החלק הייצור של המסלול בתוך קובץ ה-dump ומחלק את מספר תצורות בתוך קובץ ה-dump 10 קבוצות. לחלופין, המשתמש יכול לציין את קובץ יומן הרישום, קובץ ה-dump ולאחר מספר תצורות מתוך ממשק שורת הפקודה של שימוש -l, -d, ו- n אפשרויות, בהתאמה. כדי לעשות זאת, המשתמש צריך להקליד lammps_frames.py - n XX -l $logfilename -d $dumpfilename ממשק שורת פקודה, שבו XX הוא מספר תצורות הרצוי, $logfilename הוא שמו של יומן הרישום של LAMMPS, $dumpfilename הוא השם LAMMPS קובץ מסלול (קובץ dump). שהזמנים סימולציה פלט מתייחסים פעמים החציוני בכל קבוצה. 2) אם התצורות יחושבו באופן VASP עם הדגל LDIPOLE מופעלת, יש להוסיף שכבה קטנה של ואקום בחלל לראש supercell מעל שכבת מים. זה יקל ההתכנסות של מבנה אלקטרונית בחישוב VASP. הוספה של Å 3 נוספים של שטח ואקום מעל2H O מולקולות הצליחה הסימולציות בהמשך.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

המחברים לחשוף שאין ניגודי אינטרסים.

השיטה כפי שהוצג נבחר בגלל הקלות ליישום, אך התאמות מרובות עשוי להיות. למשל, ניתן לשנות שדות הכוח בשימוש הסימולציות FFMD. לשנות את שדה הכוח פרמטרים ו/או פוטנציאל יכול להיעשות על-ידי עריכת קלט LAMMPS את קבצי הנתונים. באופן דומה, ממיסים חוץ H2O יכול להיות מועסק. כדי לבצע שינוי זה, מולקולת הממס הרצוי היה צריך להיות מוכנס החל שלב 2.1.1, ואת הקבצים קלט LAMMPS היה צריך לערוך כדי לשלב את פוטנציאל מתאים והפרמטרים. הוספת מולקולת הממס חדש גם דורש ויישם את הקואורדינטות פנימי של המולקולה הממס מקביל הקובץ water.txt. txt בקובץ.
שינוי אחר אשר עשוי להיות היא לשנות את האזור של לוח משטח. התוצאות שנדונו בכתב יד זה מועסקים לוחות משטח 3 נק' x 3 נק' או 4 נק' x 4 נק', אשר פני שטחים Å פחות מ 1202. לוח שטח גודלת, גם חשבון חישובית מגביר. הוצאות חישובית יש את ההשפעה הגדולה ביותר על סעיף 5 של פרוטוקול זה. אם השלבים עיבוד נתונים בסעיף 5 הופכים שהמפתחות אוסרני, נתונים גדול פירסום עיבוד אסטרטגיות כגון אלו נדונו Li ואח 201845 יכול להיות מועסק.
מקורות אפשריים של חוסר ודאות עבור הליך זה כוללות את שדה הכוח המועסקים, שיטת הדגימה בתדירות הדגימה. המבנה המים נקבעת לפי שדה הכוח בו נעשה שימוש, כלומר כי הבחירה של שדה הכוח יכול להשפיע על התצורות מסוים של מולקולות2O H. הקבוצה שלנו העריך איך הבחירות של שדה כוח עבור H2O מולקולות ואטומים Pt להשפיע על האנרגיות האינטראקציה מחושב באופן FFMD ומצא כי הבחירה של שדה הכוח תורמת פחות מ 0.1 eV על אנרגיה אינטראקציה זו. מקור נוסף של אי ודאות הוא שיטת הדגימה, מה שמשפיע על תצורות ייחודיות המשמשים לחישוב כמות של ריבית. הקבוצה שלנו יש להשוות את הביצועים של שיטת "זמן הדגימה" הוצג פרוטוקול זה עם שיטת "אנרגיה הדגימה", אשר מגמתיות תצורות אנרגיה נמוכה יותר של מולקולות2O H, האינטראקציה אנרגיות מחושבת באופן DFT, מצאו את שניהם אלה שיטות דגימה סטטיסטית שווה לתת ערכי35,46. תדירות הדגימות יכול גם להשפיע על התוצאות. יש להעריך כיצד להגדיל את מספר תצורות מ-10 ל-30,000 משפיע על האנרגיות אינטראקציה הממוצע מחושב באופן FFMD עבור 40 שונים C3HxO3 adsorbates ואנו נמצא כי תדירות הדגימות תורמת פחות מאשר. eV 0.1 על אנרגיה אינטראקציה ממוצע44.
המגבלה העיקרית בשיטה זו היא כי adsorbates הם לקרב את ערכיהן מאת המבנים תחת ואקום במהלך הסימולציות FFMD. במציאות, adsorbates התערוכה שינויים הסתגלותי (בונד מותח, זווית עיקולים, תנועות הכיווניות, וכו ') עקב תנועות תרמי נורמלי, כולל אינטראקציות עם מולקולות הממס. ניסיונות כוללים שינויים הסתגלותי של adsorbates לתוך הסימולציות FFMD ידרוש פיתוח מפורט של שדות כוח עבור adsorbates משטח קטליטי, קרי, אשר מהווים תנאי המתארים בונד מותח, זווית עיקולים, ותנאים הכיווניות, בין השאר. כמו כיוון עתידי של פרוטוקול זה, אנו מפתחים כזו שדה כוח עבור adsorbates-משטחים מוצקים, שבהם נשתמש לקבוע את גודל לשימוש אשר adsorbates נוקשה משפיע על התוצאות.

מידול מעורב זרז הטרוגנית בתנאים נוזלי מולקולרית תופעות הוא הכרחי לתפקוד קטליטי הבנה; עם זאת, זה נותר מאתגר כי זה דורש איזון עדין בין דיוק כימי וההוצאות חישובית באופן כללי, מכיוון זרז כרוך שבירת ויוצרים של קשרים כימיים, מכניקת הקוונטים יש להשתמש במידה מסוימת לפחות; עם זאת, סימולציות ארוכה מאתגרת ב מכניקת הקוונטים, כפי שהם דורשים משאבי המחשב משמעותית. מאז מולקולות בשלב נוזלי תחת תנועה תרמית מתמדת, סימולציות לכלול גם דגימה המבצעות, כלומר, הם חייבים לשלב מספר סידורי המרחבי של מולקולות נוזלי, כמו כל סידור מרחבי שונה (כלומר, כל אחד תצורה) יש אנרגיה אחרת. משמעות הדבר היא כי עליך ניתן לדמות תצורות מרובות של מולקולות נוזל לזן קטליטי בכל עניין. צרכים אלה – כדי להשתמש מכניקת הקוונטים, כדי לבצע חישובים מרובים לכל המינים קטליטי – יכול לדקלם דוגמנות ב זרז הטרוגנית תחת שלב נוזלי שהמפתחות סורר. מטרת השיטה המתוארת במסמך זה היא לאפשר שהמפתחות צייתן סימולציות של תופעות זרז הטרוגנית תחת שלב נוזלי.
אנו מעוניינים במיוחד תגובות heterogeneously מזורז מתבצעת תחת מים במצב נוזלי. מולקולות המים יש השפעה משמעותית על התופעות קטליטי, כגון אינטראקציה עם מינים קטליטי (לדוגמה, באמצעות פיזור כוחות, מימן)1,2,3,4,5 ,6,7,8,9,10,11,12,13,14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23, השתתפות קטליטי תגובות1,7,8,9,15,21,22,24 ,25,26,27, המשפיעים על התגובה מסלולים ו/או המחירים קטליטי1,11,12,15, 18,23,25,27,28,29,30,31. מידול של תופעות אלו בוצעה באמצעות QM ו/או ab initio דינמיקה מולקולרית (AIMD)1,2,6,7,14,22 ,25,27,28,32,33,34, כוח שדה דינמיקה מולקולרית (FFMD)35 , מכניקת הקוונטים/מולקולרי מכניקה (QM/מ מ)10. AIMD, FFMD, האטומים במערכת מועברים על פי משוואות ניוטון-התנועה לפי הכוחות הפועלים עליהם. ב- AIMD, כוחות ואנרגיות מערכת מחושבים עם מכניקת הקוונטים, ואילו ב- FFMD, כוחות ואנרגיות מערכת מחושבים באמצעות כוח שדות, אשר הם ביטויים אלגבריים זה הם פרמטרים בהתבסס על ניסיוני או QM נתונים. ב QM/מ מ, החלק של מערכת שבו מתרחשת ההדבקה שבירת ויוצרים מחושבת QM, השארית של המערכת מחושבת עם מ מ, אשר מעסיקה שדות-כוח. כי הם מעסיקים ישירות QM, AIMD ו QM/מ"מ מתאימים יותר עבור לכידת שבירת בונד, ויוצרים זה מתרחשת בפאזה מימית זרז הטרוגניות; אולם, FFMD היא משמעותית יותר שהמפתחות צייתן, ולכן מתאימה יותר ליצירת התצורות של נוזל H2O מולקולות. השיטה המובאת פרוטוקול זה מאזן הוצאות חישובית ודיוק כימי על ידי שימוש בשילוב של QM FFMD.
באופן ספציפי, שיטה זו משתמשת FFMD סימולציות ליצירת תצורות של נוזל H2O ו- QM לחישוב מערכת אנרגיות. FFMD מתבצעות בעזרת LAMMPS. 36 כוח השדות המשמשים FFMD בעבודה זו להעסיק לנארד-ג'ונס + פוטנציאל קולון (ג'יי + C), שבו הפרמטרים LJ נלקחו דגם TIP3P/CHARMM37 עבור H2O, שדה הכוח אוניברסלי38 (UFF) עבור Pt, ו שדה כוח OPLS-AA39 מינים קטליטי, והפרמטרים הקולומבית ננקטו מהמודל37 TIP3P/CHARMM עבור H2O וכן את שדה הכוח OPLS-AA39 מינים קטליטי. הפרמטרים הקולומבית עבור אטומים Pt הוגדרו כ- 0. QM החישובים מבוצעים באמצעות VASP קוד40,41,42, אשר הוא קוד תיאורית פונקציונל (DFT) צפיפות. הוספות מולקולת מים מבוצעים עם קוד שפותחו שבאתר הנקרא מונטה קרלו plug-in עבור שיטות קוונטית (MCPliQ). המרות קבצים מ VASP ל LAMMPS ב פרוטוקול זה מבוצעות עם התוכנה חזותי מולקולרית דינמיקה (גילוי תנועה בווידאו)43.
הפרוטוקול נועד ליצור תצורות של מולקולות המים נוזלים סביב מינים קטליטי על משטחים שטוחים מתכות מעבר-כיסוי נמוך. כיסוי θ באמצעות מסומן, הגדיר מספר adsorbates לכל משטח אטום מתכת (קרי, מספר adsorbates משטח מנורמל לפי מספר אטומי המתכת בשכבה העליונה של לוח מתכת במודל זרז). כתב יד זה, כיסוי נמוך מוגדר θ באמצעות ≤ 1/9 חד שכבתי (ML), שבו 1 מ"ל אומר מין קטליטי אחד לכל משטח אטום מתכת. הדגמים זרז יוצבו בתיבות הדמיה תקופתיות. בתיבות סימולציה אינם חייבים להיות קוביות. כתב יד זה מדגים את השימוש בפרוטוקול ליצירת תצורות של נוזלי H2O יכול לשמש כדי לחשב כמויות של עניין זרז הטרוגנית פאזה מימית.
פרוטוקול זה דורש כי למשתמש יש גישה לגירסאות מותקן ועובד של התוכנה VASP, MCPliQ, LAMMPS, גילוי תנועה בווידאו. מידע נוסף אודות VASP (https://www.vasp.at/), LAMMPS (https://Lammps.sandia.gov/) גילוי תנועה בווידאו (https://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/) הינם זמינים באתרי האינטרנט שלהם בהתאמה. התוכנה MCPliQ מתועדת ב- https://github.com/getman-research-group/JoVE_article, יחד עם כל קבצי קלט וסקריפטים פיתון המוזכרים בפרוטוקול זה. פרוטוקול זה מניח קבצי ההפעלה וקבצי script שהוזכרו בתוך יהיה לפעול על מחשב בעל ביצועים גבוהים מחקר מותקנים במדריך זה במשתנה $PATH של המשתמש. אם קובץ הפעלה או קובץ script של ימוקם במיקום שאינו בתוך המשתמש של $PATH, ולאחר מכן הנתיב אל קובץ ההפעלה חייב להיות כלול כדי לממשו. שלבים 2.1.2, 2.2.1, 2.2.8, 3.1, 4.2, 5.2 ו 6.1.2 מבוצעות הרצה וקבצי script. לדוגמה, כדי לבצע את הקוד MCPliQ בצעד 2.1.2 מספריה שאינו נמצא המשתמש של $PATH, היתה סוג של המשתמש $PATHTOMCPLIQ/mcpliq -הממשק של שורת פקודה במקום mcpliq, היכן $PATHTOMCPLIQ המיקום איפה mcpliq כבר מאוחסן קובץ הפעלה (למשל, ייתכן $PATHTOMCPLIQ ~ / bin). לפני שמתחילים פרוטוקול זה, כל הפעלה של קבצי script שיש להעניק הרשאות ההפעלה (למשל, ב- Linux, זה יכול להיעשות על-ידי הקלדת chmod + x mcpliq -ממשק שורת פקודה מן הספרייה שבה מאוחסן על mcpliq ההפעלה). עוד יותר, יש לטעון כל המודולים הנדרש על-ידי תוכנות או סקריפטים (יחסי תלות אלה יהיו ספציפיות בהתקנות בודדות של התוכנה השונים ואת המחשב שבו יופעלו הסימולציות).

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>VASP software</td>
			<td>Computational Materials Physics, Dept. of Physics, University of Vienna</td>
			<td>vasp.5.4.4</td>
			<td>Standard parallel VASP executable in the newest version.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LAMMPS software</td>
			<td>Sandia National Laboratory</td>
			<td>31Mar17-dp</td>
			<td>Double-precision, parallel LAMMPS executable from 31 March 2017.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VMD software</td>
			<td>Theoretical and Computational Biophysics Group, University of Illinois at Urbana-Champaign</td>
			<td>1.9.3</td>
			<td>Standard VMD executable in the newest version.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MCPliQ software</td>
			<td>Getman Research Group, Dept. of Chemical and Biomolecular Engineering, Clemson University</td>
			<td></td>
			<td>Executable and input files for the MCPliQ software availabe from the Getman Research Group GitHub page.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>JoVE article scripts</td>
			<td>Getman Research Group, Dept. of Chemical and Biomolecular Engineering, Clemson University</td>
			<td></td>
			<td>Python scripts for this JoVE manuscript available from the Getman Research Group GitHub page.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>H2O PDB file</td>
			<td>Getman Research Group, Dept. of Chemical and Biomolecular Engineering, Clemson University or RCSB Protein Data Bank</td>
			<td></td>
			<td>PDB file for a water molecule, available from the Getman Research Group GitHub page or at http://www.rcsb.org/ligand/HOH.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

multiscale sampling of a heterogeneous water/metal catalyst interface using density functional theory and force-field molecular dynamics

מספר משמעותי של תהליכים כימיים מזורז heterogeneously מתרחשים בתנאים נוזלי, אולם הדמיית זרז תפקוד בתנאים כאלה הוא מאתגר כאשר יש צורך לכלול את מולקולות הממס. שבירת הקשר ויוצרים תהליכי המודל במערכות אלו מחייבים השימוש בשיטות כימיות קוונטית. מאז מולקולות בשלב נוזלי תחת תנועה תרמית מתמדת, סימולציות לכלול גם המבצעות הדגימה. משמעות הדבר היא כי עליך ניתן לדמות תצורות מרובות של מולקולות נוזל לזן קטליטי בכל עניין. המטרה של פרוטוקול המובאת כאן היא ליצירה לטעום מסלולים של תצורות של מולקולות מים במצב נוזלי סביב מינים קטליטי על משטחים שטוחים מתכות מעבר בצורה מאזנת הדיוק כימי עם הוצאות חישובית. באופן ספציפי, סימולציות דינמיקה מולקולרית (FFMD) שדה הכוח משמשים כדי ליצור תצורות של מולקולות נוזלי, אשר לאחר מכן ניתן להשתמש בשיטות המבוסס על מכניקת הקוונטים כגון תיאורית פונקציונל הצפיפות ' או ' ab initio מולקולרית דינמיקה. כדי להמחיש זאת, כתב יד זה, הפרוטוקול משמש intermediates קטליטי זה יכול להיות מעורב מסלול עבור הפירוק של גליצרול (ג3H8O3). המבנים שנוצרו באמצעות FFMD הם עוצב ב- DFT כדי לאמוד את enthalpies של יוצרות המינים קטליטי וכדי לזהות כמה מולקולות2O H להשתתף decompositions קטליטי.

שימוש אחד של פרוטוקול זה הוא כדי לחשב את האנרגיות של האינטראקציה בין מים במצב נוזלי קטליטי מינים, קרי, ΔEint35:
ΔEint=Eמינים קטליטי + H2O+EEהשטח זרז נקי-מינים קטליטיE-זרז נקי משטח + H2O
איפה Eמינים קטליטי + H2Oהיא האנרגיה של תצורה של מולקולות2O H סביב זן קטליטי על משטח מתכת, Eהשטח זרז נקי היא האנרגיה של פני השטח זרז נקי בואקום, E מינים קטליטי היא האנרגיה של המין קטליטי על משטח מתכת בואקום, ו Eנקי זרז משטח + H2O היא האנרגיה של התצורה של H2O מעל פני השטח זרז עם המין קטליטי הוסר. העמדות של מולקולות2O H המשמש לחישוב Eמינים קטליטי + H2O ו- Eנקי זרז משטח + H2O צריכים להיות זהים. כל הערכים של E מחושבים באמצעות הקוד VASP. Δ כמותEint כוללת את כל של אינטראקציות פיזיקליות, כימיות בין כל המולקולות של המבנה מים במצב נוזלי המין קטליטי ונותנת הערכה סבירה של ה אנתלפיה של יוצרות של קטליטי מינים, אשר יש צורך לחשב את האנרגיה החופשית של אנרגיה חופשית יוצרות וסיכום. טבלה 1 מספק ערכים עבור ΔEint מחושב עבור המין האנושי על זרז Pt(111) על פני השטח עם נוסחאות כימיות שווה ל C-xH-yO-z ביחידות של eV (eV 1 = 96.485 kJ/mol). הערכים חושבו על הכיסויים ≤1/9 מ ל.35,46 הערכים שדווחו הן הממוצעים השתלט על תצורות 10 של נוזלי H2O, אי הוודאויות מדווחים כמו סטיות תקן. כל הערכים הם שליליים, המציינת אינטראקציה חיובית עם מים.
יישום נוסף של פרוטוקול זה הוא ליצור מבנים ההתחלה עבור AIMD. סרט 1 הוא סרט של מסלול AIMD שבנייתו החלה תצורה שנוצר על ידי פרוטוקול זה. בתחילת הסרט הזה, adsorbate COH מוצג על משטח Pt(111) תחת מבנה של נוזלי H2O. H אחד2O מולקולה מודגשת, אשר יצרו קשר מימן עם COH. במהלך הסרט, מולקולה זו2O H תקצירים הפרוטון מן adsorbate COH ומפקידה אטום מימן השניה על פני השטח Pt(111). מולקולת2O H ובכך מסייע כדי לעודד את התגובה COH * + * ← CO * + H *, איפה * s לציין אתרים קטליטי. סימולציה זה מדגיש את הכוח הראשי, המטרה העיקרית של השיטה הדגימה multiscale כפי שיתואר בהמשך. תצורות רבים של מולקולות2O H נוצרים עם FFMD, בשל עוצמתה ב חישובית ללקוחות שלנו. אולם, מגבלה של FFMD היא כי זה לא יכול ללכוד בונד שבירת ויוצרים אלא אם שדה כוח תגובתי מיושם. AIMD משתמשת מכניקת הקוונטים לחישוב אנרגיות, ובכך יכול ללכוד בונד שבירת ויוצרים. עם זאת, AIMD גם שהמפתחות דורש לייצר כל התצורות של מולקולות2O H הדרושים כדי להבטיח דגימה מספיק הושגה. לפיכך, פרוטוקול זה משלב את שתי השיטות.
המבנים של נוזלי H2O המולקולות שנוצרו על-ידי הליך זה תלויות בהגדרות קלט. קביעת הגדרות אלה באופן לא תקין יכול לקבל השפעות לא מכוונות על מבנים מים. לדוגמה, כאשר המרחקים הבין-מולקולרי להיות קטן מדי או פרמטרים אחרים בקבצי קלט של דינמיקה מולקולרית מוגדרים באופן לא תקין או לקחת על ערכים unphysical, המבנה המים יכול להיות לא הגיוני. בנסיבות אלה, המבנה של מים יהיה "לפוצץ" unintendedly במהלך המסלול FFMD. איור 1 מציג דוגמה לכך. התמונה בצד שמאל היא המבנה מתחיל לרוץ FFMD, התמונה בצד ימין תמונת נלקח בתוך 1 ps של הפעלת הסימולציה. כפי שניתן לראות, H2O המולקולות עברו הרחק מהמשטח. זו נגרמת על ידי ההגדרות לא תקין בקבצי קלט סימולציה והיא לא מבנה שעשוי להתרחש במציאות.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59284/59284fig1v2.jpg"> איור 1: דוגמה תוצאה שלילית. ההדמיה דינמיקה מולקולרית שדה הכוח "מתפוצץ" עקב הגדרת unphysical או ערך. יד שמאל תמונה: הגיאומטריה ההתחלתי של פני השטח Pt(111), adsorbate, ושל מבנה מים במצב נוזלי. בתמונה הימנית: הצורה הגיאומטרית של פני השטח Pt(111), adsorbate, מים נוזליים מבנה פחות מ- 1 ps מאוחר יותר. בתמונה הימנית, הפרידו המולקולות2O H מפני השטח בשל כוחות גדולים unphysically. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59284/59284fig1v2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Movie 1" src="/files/ftp_upload/59284/59284mov1.jpg"> סרט 1: Ab initio דינמיקה מולקולרית (AIMD) סימולציה יזומות של תצורה שנוצר הדגימה multiscale. מולקולה2O H הוא במקור מימן מודבקת על adsorbate COH על משטח Pt(111) תקצירים הפרוטון מן COH ומפקידה של מימן השניה על פני השטח Pt(111). את הקשר הזה שובר ויוצרים אירוע ניתן ללכוד מאת AIMD אבל לא עם שדה הכוח דינמיקה מולקולרית (FFMD) אלא אם כן משמש שדה כוח תגובתי. קביעת התצורה הראשונית של H2O מולקולות בשימוש סימולציה AIMD זה נוצר באמצעות FFMD כמתואר בכתב היד. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59284/movie1.mp4" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בסרטון. (לחיצה ימנית כדי להוריד.)</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>מינים קטליטי</td>
			<td>∆Eint (eV)</td>
		</tr>
<tr>
<td>COH</td>
			<td>-0.70 ± 0.07</td>
		</tr>
<tr>
<td>CO</td>
			<td>-0.03 ± 0.03</td>
		</tr>
<tr>
<td>CH2הו</td>
			<td>-0.64 ± 0.12</td>
		</tr>
<tr>
<td>צ'ו-CHOH-CH2הו</td>
			<td>-0.93 ± 0.22</td>
		</tr>
<tr>
<td>COH-COH-CH2הו</td>
			<td>-0.87 ± 0.23</td>
		</tr>
<tr>
<td>COH-CHOH-COH</td>
			<td>-1.72 ± 0.26</td>
		</tr>
<tr>
<td>CHOH-COH-CO</td>
			<td>-1.57 ± 0.25</td>
		</tr>
<tr>
<td>צ'ו-CO-CO</td>
			<td>-0.31 ± 0.19</td>
		</tr>
</tbody></table>טבלה 1: התוצאות אנרגיה אינטראקציה מינים מים-קטליטי. אינטראקציה עם אנרגיות eV מחושב עבור C 8xHyOz adsorbates על Pt(111). ערכים דיווחו הממוצעים נלקחים על תצורות מרובות של נוזל H2O. אי הוודאויות הן סטיות תקן של הממוצעים. eV 1 = 96.485 kJ/mol.

Watch this Scientific Journal Video about Multiscale Sampling of a Heterogeneous Water/Metal Catalyst Interface using Density Functional Theory and Force-Field Molecular Dynamics at JoVE.com

Multiscale Sampling of a Heterogeneous Water/Metal Catalyst Interface using Density Functional Theory and Force-Field Molecular Dynamics

המטרה של פרוטוקול המובאת כאן היא ליצירה לטעום מסלולים של תצורות של מולקולות מים במצב נוזלי סביב מינים קטליטי על משטח שטוח מתכות מעבר. תצורות שנדגמו יכול לשמש החל מבנים על פי מכניקת הקוונטים.

הדגימה multiscale של מים/מטאל הטרוגנית זרז ממשק באמצעות תיאורית פונקציונל הצפיפות ודינמיקה מולקולרית שדה כוח

A significant number of heterogeneously-catalyzed chemical processes occur under liquid conditions, but simulating catalyst function under such conditions ...

מודלי הפרוטוקול, תופעות תרמיות וקוונטיות בקטליזה הטרוגנית בשלב נוזלי. זוהי הראשונה, לדעתנו, לשלב מכניקת קוונטים עם דגימה מלאה של סביבה נוזלית מפורשת. תצורות של מולקולות נוזליות הנוצרות מפרוטוקול זה מייצגות את אלה הצפויות בתנאי תגובה ממשיים ו ניתן להשתמש בהן כדי לחקור תופעות ברמה מולקולרית התלויות בסידורים המרחביים של מולקולות.התצורות של מולקולות נוזליות הנוצרות על ידי פרוטוקול זה מספקות תובנה לגבי התפקידים שממס ממלא על קטליזה הטרוגנית בשלב נוזלי. אם אתה מנסה פרוטוקול זה בפעם הראשונה, אני ממליץ לך קודם לוודא שיש לך גישה ובאפשרותך להפעיל את תוכנת VASP, MCPliQ, VMD ו- LAMMPS. הדגימה של ההליך תהיה טיאנג'ון שי, סטודנטית לתואר שני מהמעבדה שלי.לאחר יצירת מבנה הפילוח, צור את קבצי הקלט של LAMMPS עבור הדמיית NPT וצייד את נפח התא באמצעות FFMD. העתק את קובץ הקלט של LAMMPS לספריה העובדת. ערכו את משתנה הקבוצה בשורה 34 כדי לציין את אינדקסי סוגי האטום עבור אטומי החמצן והמים של מימן המים.במשתנה הקבוצה בשורה 35, כדי לציין את אינדקסי סוג האטום עבור אטומי הפלטינה והספוג. בשורה 17 של קובץ הקלט, ערוך את משתנה שלב הריצה כדי להגדיר את משך הדמיית NPT מספיק זמן כדי לכלול הפעלת שיווי משקל והפעלת ייצור. בצע את תוכנת LAMMPS, על-ידי הקלדת הפקודה בממשק שורת הפקודה, הכולל את המידע של מספר ליבות ה- CPU לשימוש ואת שם קובץ ההפעלה LAMMPS.מזעור האנרגיה מחדד את תצורת מולקולת המים ואחריו סימולציית FFMD המבוצעת במספר קבוע של מולקולות מים, נפח וטמפרטורה כדי להביא את המים לטמפרטורת הסימולציה. סימולציה נוספת של FFMD פועלת לאחר מכן במספר קבוע של מולקולות מים, לחץ וטמפרטורה כדי לקבוע את הגובה הנכון פיזית של תיבת הסימולציה. קבצי הפלט ישמשו מאוחר יותר.לאחר סימולציית NPT, להתוות את הגובה של supercell נגד הזמן. הנקודה שבה הוא יורד לערך מצב יציב היא הנקודה בסימולציית NPT כאשר הייצור יכול להתחיל. ודא שיווי משקל של סימולציית NPT על ידי הבטחת כי התנודות בגובה של supercell הם מינימליים או התכנסו לערך יציב.אם מתרחשות תנודות גדולות, פתח את הקלט. לצייד את הקובץ ולהקטין את timestep על קו 92 כדי לחדש את תצורת מולקולת המים ולבצע את תוכנת LAMMPS כמו קודם. כדי להתחיל, הקלד בממשק שורת הפקודה כדי להפעיל את קובץ ה- Script.קובץ Script זה מפיק את גובה supercell הממוצע מחלק הפעלת הייצור של הדמיית NPT לקובץ TXT. קובץ ה- Script קורא את אורך ממד z של התא במרווחים של 1, 000 femtosecond, שהוא מרווח הזמן המוגדר כברירת מחדל להדפסת מידע ב- LAMMPS. אם רצוי מרווח הדפסה אחר, ניתן לשנות אותו על-ידי עריכת קו 20 של get_npt_lz.py סקריפט ו קו 16 של קלט LAMMPS. לצייד את הקובץ. התסריט מזהה ומשליך את שני הננו-שניות הראשונות בשווי ערכי lz, מכיוון שהן מהוות את חלק האקוויוויאליציה של הסימולציה.ניתן לשנות את משך הפעלת האקוויוויאליות על-ידי עריכת שורה 19 של הקובץ. שלושת הננו-שניות הנותרות מהוות את חלק הייצור, ולכן משמשות לתפוקת אורך ממד z הממוצע. בנוסף, קובץ ה- Script מפיק פלט של קובץ TXT אחר המספק ערכים של lz כפונקציה של timestep וכן קובץ PNG, המתווה את אותם נתונים.ניתן להשתמש בעלילה כדי לאמת את שיווי המשקל של סימולציית NPT. כדי לשחזר את תא העל באמצעות הגובה הממוצע שנקבע ב- NPT, העתק את קובץ הנתונים שנוצר קודם לכן לספריה עובדת חדשה ושנה את שמו כ- data.myadsorbate. לאחר מכן ערכו את קובץ הנתונים החדש כדי לשנות zlo ל- 0.0 ו- zhi לערך lz מפלט הערך הממוצע בקובץ TXT.העתק את קובץ הקלט של LAMMPS לספריה העובדת החדשה. ערכו את משתנה הקבוצה בשורה 32 כדי לציין את אינדקסי סוגי האטום עבור אטומי מימן חמצן ומים ואת משתנה הקבוצה בשורה 33 כדי לציין את אינדקסי סוג האטום עבור אטומי הפלטינה והספוג. לאחר מכן, בקו 16, ערוך את משתנה runStep כך שהוא ארוך מספיק כדי לכלול הפעלת שיווי משקל והפעלה של ייצור.הקלד את הפקודה לביצוע LAMMPS בממשק שורת הפקודה כדי להפעיל את תוכנת LAMMPS. פעולה זו תפעיל הדמיית NVT קבועה על מולקולות המים, וקובץ פלט המפתח ייווצר. סימולציית NVT כוללת חלק שיווי משקל וחלק ייצור.חלק הייצור מתחיל כאשר האנרגיה של המערכת התווה נגד רמות הזמן כבוי. כדי להתחיל, לפתוח את התסריט לכל החיים קשר מימן. שנה את משתנה ההתחלה בפועל בשורה 22 כדי להגדיר את פרק הזמן של מסגרת הזמן הראשונה.שנה את משתנה timestep בשורה 23 כדי להגדיר באיזו תדירות מסגרות נכתבות לקובץ המסלול של LAMMPS. שנה N_first ו- N-last בשורה 24 ו- 25 כדי להגדיר את הteps הראשון ו האחרון, ושנה את המשתנה לעולם לא בשורה 26 כדי לקבוע אם מסגרות עוקבות ייחשבו או ידלגו עליהן. הגדר את מספר השורות לכל מקטע מסגרת של קובץ המסלול על-ידי שינוי משתנה קו המסגרת בשורה 27.בנוסף, ערוך שורות 31 עד 35, כדי לציין אילו סוגי אטום בתוך הנתונים. קובץ myadsorbate שייך לסופוירבאט, וסוגי האטומים שייכים למולקולות המים. התסריט מנתח את תצורות המים בהפעלת הייצור וקובע אם מולקולות מים כלשהן נקשרות למימן לסוחת.לאחר מכן הוא סופר את זמן הסימולציה שכל קשר מימן נשאר שלם ומדווח על מידע זה כהפצה של אורך חיים של קשרי מימן ביחידות של פיקו-שניות. LAMMPS כותב את התצורה של מולקולות מים לקובץ כל 1, 000 femtoseconds, המהווה את ברירת המחדל בקובץ הקלט LAMMPS שסופק. הוא מזהה ומשליך את שתי תצורות nanoseconds הראשון בשווי של הקובץ כפי שהם מהווים את החלק שיווי משקל של הסימולציה ומשתמש בשלושת ננו שניות הנותרים כדי לחשב אורך חיים של קשר מימן.כדי להפעיל את קובץ ה- Script, הקלד בממשק שורת הפקודה. לאחר מכן הוא יוצר קובץ DAT. התווה את הנתונים בקובץ כדי להציג את ההתפלגות של משכי חיים של קשרי מימן שהתרחשו במהלך הדמיית NVT.כדי לקבוע את תוספת הזמן לשימוש עבור מרווח הזמן לדגימת זמן, השתמש בהפרש קבוע של זמן הגדול או שווה לאורך החיים המרבי של קשר מימן. קבע את מספר התצורות מהפעלת הייצור של מסלול NVT FFMD כדי לדגום כך שהזמן המינימלי בין תצורות יהיה שווה או גדול ממרווח דגימת הזמן שזוהה קודם לכן. בקובץ ה- Script של חילוץ המסגרות שנכתב קודם לכן, ערוך את ערך ברירת המחדל עבור משתנה מספר המסגרות בשורה 21 כדי לציין את מספר התצורות שיש לחלץ.כדי להפעיל את קובץ ה- Script, הקלד את שם קובץ ה- Script בממשק שורת הפקודה. פעולה זו תפרט רשימה של זמני הדמיה המתאימים לתצורות שיש לחלץ מקובץ הסימולציה של NVT. תצורות אלה יכולות לשמש כמבנים התחלתיים בסימולציות AIMD או QM.בהליך זה, FFMD שימש ליצירת התצורה הראשונית של מולקולות מים. סימולציית AIMD מראה כי מולקולת מים כי הוא במקור מימן מלוכדים לספוג אלכוהול סוכר על משטח פלטינה-111 מפשט את המימן מן adsorbate אלכוהול ומפקיד מימן שני על פני הפלטינה-111. המבנים של מולקולות מים נוזליים תלויים בהגדרות קלט.לקביעתם בצורה לא נכונה יכולות להיות השפעות לא מכוונות על מבני המים. בנתון זה, הצד השמאלי הוא המבנה ההתחלתי להפעלת FFMD. והיד ימין נמצא בתוך פיקו-שניה אחת מהתחלת הסימולציה.סימולציית FFMD מתפוצצת עקב הגדרות כוח גדולות מבחינה פיזית, מה שגורם למולקולות מים להתרחק מפני השטח. ניתן להשתמש בתצורות במכניקת הקוונטים, או בסימולציית QMM, או להשתמש בהן כדי לנתח סטטיסטיקות הקשורות למיקומים המרחביים של המולקולות. טכניקה זו סוללת את הדרך לחוקרים לחקור את התפקידים שיש לסביבות תגובה נוזלית על קטליזה על ידי יצירת תצורות בפועל של מולקולות נוזליות בממשקים קטליטיים.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Layer-by-layer Synthesis and Transfer of Freestanding Conjugated Microporous Polymer Nanomembranes

סינתזה והעברה של אוב Nanomembranes פולימר Microporous Conjugated שכבה אחר שכבה

CMP as large surface area materials have attracted growing interest recently, due to their high variability in the incorporation of functional groups in ...

HKUST-1 as a Heterogeneous Catalyst for the Synthesis of Vanillin

HKUST-1 כמנוף הטרוגניות לסינתזה של ונילין

Vanillin (4-hydoxy-3-methoxybenzaldehyde) is the main component of the extract of vanilla bean. The natural vanilla scent is a mixture of approximately ...

Facile Synthesis of Worm-like Micelles by Visible Light Mediated Dispersion Polymerization Using Photoredox Catalyst

סינתזה קלילה של Micelles תולעת דמוית ידי גלוי אור מתווכת פילמור נפיצה שימוש Photoredox Catalyst

Presented herein is a protocol for the facile synthesis of worm-like micelles by visible light mediated dispersion polymerization. This approach begins ...

Synthesis and Performance Characterizations of Transition Metal Single Atom Catalyst for Electrochemical CO2 Reduction

Synthesis and Performance Characterizations of Transition Metal Single Atom Catalyst for Electrochemical CO2 Reduction

סינתזה, אפיוני ביצועים של מתכות מעבר מאטום בודד הזרז להפחתת2 CO אלקטרוכימי

This protocol presents both the synthesis method of the Ni single atom catalyst, and the electrochemical testing of its catalytic activity and selectivity ...

Preparation of Functional Silica Using a Bioinspired Method

הכנת סיליקה פונקציונלי באמצעות שיטת Bioinspired

The goal of the protocols described herein is to synthesize bioinspired silica materials, perform enzyme encapsulation therein, and partially or totally ...

Heterogeneous Removal of Water-Soluble Ruthenium Olefin Metathesis Catalyst from Aqueous Media Via Host-Guest Interaction

הסרת הטרוגנית רותניום מסיסים במים אולפין זרז שיכול עיצורים ממדיה מימית באמצעות אינטראקציה מארח-אורח

A highly efficient transition metal catalyst removal method is developed. The water-soluble catalyst contains a newly-designed NHC ligand for the catalyst ...

Imaging Corrosion at the Metal-Paint Interface Using Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry

הדמיה קורוזיה בממשק צבע מתכת באמצעות המסה של זמן טיסה משני המוני ספקטרומטריה

Corrosion developed at the paint and aluminum (Al) metal-paint interface of an aluminum alloy is analyzed using time-of-flight secondary ion mass ...

[(DPEPhos)(bcp)Cu]PF6: A General and Broadly Applicable Copper-Based Photoredox Catalyst

[DPEPhosbcpCu]PF6: A General and Broadly Applicable Copper-Based Photoredox Catalyst

(Bcp). PF6: זרז המבוסס על נחושת מבוסס-על-ידי כללי וכללית

Our group recently reported the use of [(DPEPhos)(bcp)Cu]PF6 as a general copper-based photoredox catalyst which proved efficient to promote the ...

Vibrational Spectra of a N719-Chromophore/Titania Interface from Empirical-Potential Molecular-Dynamics Simulation, Solvated by a Room Temperature Ionic Liquid

ויברtional ספקטרום של N719-כרומטופור/טיטניה ממשק הסימולציה מולקולארית פוטנציאלי-דינמיקה, Solvated על ידי טמפרטורת חדר הנוזל היוני

The accurate molecular simulation prediction of vibrational spectra, and other structural, energetic and spectral characteristics, of photo-active ...

Development of Heterogeneous Enantioselective Catalysts using Chiral Metal-Organic Frameworks (MOFs)

Development of Heterogeneous Enantioselective Catalysts using Chiral Metal-Organic Frameworks MOFs

פיתוח זרזים הטרוגנית אנאנטיוניקטיביים באמצעות מתכת כיאלית-אורגנית מסגרות (MOFs)

Substrate size discrimination by the pore size and homogeneity of the chiral environment at the reaction sites are important issues in the validation of ...