Representerer simuleringer den virkelige verden på atomskala?

Computersimuleringer har et enormt løfte om at fremskynde molekylær konstruktion af grøn energiteknologi, såsom nye systemer til opbevaring af elektrisk energi og forbrug af solenergi, samt kuldioxidopsamling fra miljøet. Imidlertid, forudsigelseskraften i disse simuleringer afhænger af at have midler til at bekræfte, at de virkelig beskriver den virkelige verden.

En sådan bekræftelse er ikke en simpel opgave. Mange antagelser går ind i opsætningen af ​​disse simuleringer. Som resultat, simuleringerne skal kontrolleres omhyggeligt ved hjælp af en passende "valideringsprotokol", der involverer eksperimentelle målinger.

"Vi fokuserede på en fast/flydende grænseflade, fordi grænseflader er allestedsnærværende i materialer, og dem mellem oxider og vand er nøglen til mange energianvendelser. " - Giulia Galli, teoretiker med en fælles udnævnelse ved Argonne og University of Chicago

For at løse denne udfordring, et team af forskere ved det amerikanske energiministerium (DOE) Argonne National Laboratory, University of Chicago og University of California, Davis, udviklet en banebrydende valideringsprotokol til simuleringer af atomstrukturen i grænsefladen mellem et fast stof (et metaloxid) og flydende vand. Teamet blev ledet af Giulia Galli, en teoretiker med en fælles udnævnelse ved Argonne og University of Chicago, og Paul Fenter, en eksperimentær i Argonne.

"Vi fokuserede på en fast/flydende grænseflade, fordi grænseflader er allestedsnærværende i materialer, og dem mellem oxider og vand er nøglen til mange energianvendelser, "sagde Galli.

"Til dato, de fleste valideringsprotokoller er designet til bulkmaterialer, ignorerer grænseflader, "tilføjede Fenter." Vi følte, at strukturen i atomskala af overflader og grænseflader i realistiske miljøer ville præsentere en særlig følsom, og derfor udfordrende, valideringstilgang. "

Valideringsproceduren, de designede, bruger højopløselige røntgenreflektivitet (XR) målinger som den eksperimentelle søjle i protokollen. Teamet sammenlignede XR -målinger for en aluminiumoxid/vand -grænseflade, udført ved beamline 33-ID-D ved Argonnes Advanced Photon Source (APS), med resultater opnået ved at køre højtydende computersimuleringer ved Argonne Leadership Computing Facility (ALCF). Både APS og ALCF er DOE Office of Science brugerfaciliteter.

"Disse målinger registrerer refleksion af røntgenstråler med meget høj energi fra en grænseflade mellem oxid og vand, "sagde Zhan Zhang, en fysiker i Argonnes røntgenvidenskabelige afdeling. Ved strålenergier genereret ved APS, røntgenbølgelængderne ligner interatomiske afstande. Dette giver forskerne mulighed for direkte at undersøge grænsefladens molekylære struktur.

"Dette gør XR til en ideel sonde til at opnå eksperimentelle resultater, der direkte kan sammenlignes med simuleringer, "tilføjede Katherine Harmon, en kandidatstuderende ved Northwestern University, en Argonne -gæstestuderende og den første forfatter til papiret. Teamet kørte simuleringerne på ALCF ved hjælp af Qbox -koden, som er designet til at studere begrænsede temperaturegenskaber for materialer og molekyler ved hjælp af simuleringer baseret på kvantemekanik.

"Vi var i stand til at teste flere tilnærmelser til teorien, "sagde Francois Gygi fra University of California, Davis, del af teamet og hovedudvikler af Qbox -koden. Teamet sammenlignede målte XR -intensiteter med dem beregnet ud fra flere simulerede strukturer. De undersøgte også, hvordan røntgenstråler spredt fra elektronerne i forskellige dele af prøven ville forstyrre for at producere det eksperimentelt observerede signal.

Holdets bestræbelser viste sig at være mere udfordrende end forventet. "Ganske vist, det var lidt af en prøvelse og fejl i begyndelsen, da vi forsøgte at forstå den rigtige geometri at anvende og den rigtige teori, der ville give os nøjagtige resultater, "sagde Maria Chan, medforfatter af undersøgelsen og videnskabsmand ved Argonnes Center for Nanoskala Materialer, en DOE Office of Science brugerfacilitet. "Imidlertid, vores frem og tilbage mellem teori og eksperiment gav pote, og vi var i stand til at oprette en robust valideringsprotokol, der nu også kan implementeres til andre grænseflader. "

"Valideringsprotokollen hjalp med at kvantificere simuleringernes styrker og svagheder, at give en vej mod at bygge mere præcise modeller af faste/flydende grænseflader i fremtiden, "sagde Kendra Letchworth-Weaver. En adjunkt ved James Madison University, hun udviklede software til at forudsige XR -signaler fra simuleringer under et postdoc -stipendium i Argonne.

Simuleringerne kaster også ny indsigt i selve XR -målingerne. I særdeleshed, de viste, at dataene ikke kun er følsomme over for atomstillingerne, men også til elektronfordelingen omkring hvert atom på subtile og komplekse måder. Disse indsigter vil vise sig gavnlige for fremtidige forsøg med oxid/væske -grænseflader.

Det tværfaglige team er en del af Midwest Integrated Center for Computational Materials, med hovedsæde i Argonne, et computermaterialevidenskabscenter understøttet af DOE. Arbejdet præsenteres i en artikel med titlen "Validering af førsteprincipper molekylære dynamikberegninger af oxid/vand-grænseflader med røntgenreflektivitetsdata, ", der dukkede op i november 2020 -udgaven af Materialer til fysisk gennemgang .