Datorsimuleringar har ett enormt löfte att påskynda molekylär konstruktion av grön energiteknik, till exempel nya system för elektrisk energilagring och användning av solenergi, samt koldioxidavskiljning från miljön. Dock, förutsägelsekraften för dessa simuleringar beror på att man har medel för att bekräfta att de verkligen beskriver den verkliga världen.

Sådan bekräftelse är ingen enkel uppgift. Många antaganden går in i konfigurationen av dessa simuleringar. Som ett resultat, simuleringarna måste kontrolleras noggrant med hjälp av ett lämpligt "valideringsprotokoll" som innefattar experimentella mätningar.

"Vi fokuserade på ett fast/flytande gränssnitt eftersom gränssnitt är allestädes närvarande i material, och mellan oxider och vatten är nyckeln i många energitillämpningar. " - Giulia Galli, teoretiker med ett gemensamt möte vid Argonne och University of Chicago

För att hantera denna utmaning, ett team av forskare vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, University of Chicago och University of California, Davis, utvecklat ett banbrytande valideringsprotokoll för simuleringar av atomstrukturen i gränssnittet mellan ett fast ämne (en metalloxid) och flytande vatten. Teamet leddes av Giulia Galli, en teoretiker med ett gemensamt möte vid Argonne och University of Chicago, och Paul Fenter, en experimentell argonne.

"Vi fokuserade på ett fast/flytande gränssnitt eftersom gränssnitt är allestädes närvarande i material, och mellan oxider och vatten är nyckeln i många energitillämpningar, sa Galli.

"Hittills, de flesta valideringsprotokoll har utformats för bulkmaterial, ignorerar gränssnitt, "tillade Fenter." Vi kände att atomstrukturen hos ytor och gränssnitt i realistiska miljöer skulle utgöra en särskilt känslig, och därför utmanande, valideringsmetod. "

Valideringsförfarandet de utformade använder högupplösta röntgenreflektivitet (XR) mätningar som den experimentella pelaren i protokollet. Teamet jämförde XR -mätningar för ett aluminiumoxid/vatten -gränssnitt, utförd vid beamline 33-ID-D vid Argonnes Advanced Photon Source (APS), med resultat erhållna genom att köra högpresterande datasimuleringar vid Argonne Leadership Computing Facility (ALCF). Både APS och ALCF är DOE Office of Science användarfaciliteter.

"Dessa mätningar upptäcker reflektion av röntgenstrålar med mycket hög energi från ett gränssnitt mellan oxid och vatten, "sa Zhan Zhang, en fysiker i Argonnes division för röntgenvetenskap. Vid strålenergierna som genereras vid APS, röntgenvåglängderna liknar interatomiska avstånd. Detta gör att forskarna direkt kan undersöka gränssnittets molekylära struktur.

"Detta gör XR till en idealisk sond för att få experimentella resultat som är direkt jämförbara med simuleringar, "tillade Katherine Harmon, en doktorand vid Northwestern University, en gäststudent i Argonne och tidningens första författare. Teamet körde simuleringarna på ALCF med hjälp av Qbox -koden, som är utformad för att studera begränsade temperaturegenskaper för material och molekyler med hjälp av simuleringar baserade på kvantmekanik.

"Vi kunde testa flera approximationer av teorin, "sa Francois Gygi från University of California, Davis, del av teamet och ledande utvecklare av Qbox -koden. Teamet jämförde uppmätta XR -intensiteter med de som beräknades från flera simulerade strukturer. De undersökte också hur röntgenstrålar spridda från elektronerna i olika delar av provet skulle störa för att producera den experimentellt observerade signalen.

Teamets strävan visade sig vara mer utmanande än väntat. "Visserligen, det var lite av en prövning och fel i början när vi försökte förstå rätt geometri att anta och rätt teori som skulle ge oss exakta resultat, "sa Maria Chan, en medförfattare till studien och forskare vid Argonnes Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science User Facility. "Dock, vårt fram och tillbaka mellan teori och experiment gav resultat, och vi kunde skapa ett robust valideringsprotokoll som nu kan användas även för andra gränssnitt. "

"Valideringsprotokollet hjälpte till att kvantifiera simuleringarnas styrkor och svagheter, tillhandahålla en väg mot att bygga mer exakta modeller av fasta/flytande gränssnitt i framtiden, "sa Kendra Letchworth-Weaver. En biträdande professor vid James Madison University, hon utvecklade mjukvara för att förutsäga XR -signaler från simuleringar under en postdoktorat i Argonne.

Simuleringarna ger också ny inblick i själva XR -mätningarna. Särskilt, de visade att data är känsliga inte bara för atompositionerna, men också till elektronfördelningen som omger varje atom på subtila och komplexa sätt. Dessa insikter kommer att visa sig fördelaktiga för framtida experiment med oxid/vätskegränssnitt.

Det tvärvetenskapliga teamet är en del av Midwest Integrated Center for Computational Materials, med huvudkontor i Argonne, ett datormaterialvetenskapscenter som stöds av DOE. Arbetet presenteras i en artikel med titeln "Validering av första principers molekylära dynamikberäkningar av oxid/vattengränssnitt med röntgenreflektivitetsdata, "som dök upp i november 2020 -numret av Material för fysisk granskning .