Tecnologia Científica

As simulações representam o mundo real em escala atômica?
O poder preditivo dessas simulações depende de ter um meio para confirmar que elas realmente descrevem o mundo real.
Por Viktor Rozsa - 20/01/2021


Representação pictórica do estudo experimental e computacional conjunto de materiais. O estudo utilizou a Advanced Photon Source (painel superior) e o Argonne Leadership Computing Facility (painel inferior). A equipe abordou a estrutura atomística das interfaces, que são onipresentes em materiais. Crédito: Emmanuel Gygi, Universidade da Califórnia, San Diego

Simulações de computador prometem acelerar a engenharia molecular de tecnologias de energia verde, como novos sistemas para armazenamento de energia elétrica e uso de energia solar, bem como captura de dióxido de carbono do meio ambiente. No entanto, o poder preditivo dessas simulações depende de ter um meio para confirmar que elas realmente descrevem o mundo real.

Essa confirmação não é uma tarefa simples. Muitas suposições entram na configuração dessas simulações. Como resultado, as simulações devem ser cuidadosamente verificadas usando um "protocolo de validação" apropriado envolvendo medições experimentais.

"Nós nos concentramos em uma interface sólido / líquido porque as interfaces são onipresentes em materiais, e aquelas entre óxidos e água são essenciais em muitas aplicações de energia." - Giulia Galli, teórica com uma nomeação conjunta na Argonne e na Universidade de Chicago

Para enfrentar este desafio, uma equipe de cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE), da Universidade de Chicago e da Universidade da Califórnia, Davis, desenvolveu um protocolo de validação inovador para simulações da estrutura atômica da interface entre um sólido (um óxido de metal) e água líquida . A equipe foi liderada por Giulia Galli, uma teórica com um compromisso conjunto em Argonne e na Universidade de Chicago, e Paul Fenter, um experimentalista de Argonne.

“Nós nos concentramos em uma interface sólido / líquido porque as interfaces são onipresentes em materiais, e aquelas entre óxidos e água são fundamentais em muitas aplicações de energia”, disse Galli.

"Até o momento, a maioria dos protocolos de validação foi projetada para materiais a granel, ignorando interfaces", acrescentou Fenter. "Sentimos que a estrutura em escala atômica de superfícies e interfaces em ambientes realistas apresentaria uma abordagem de validação particularmente sensível e, portanto, desafiadora."

O procedimento de validação que eles projetaram usa medições de refletividade de raios X de alta resolução (XR) como o pilar experimental do protocolo. A equipe comparou as medições de XR para uma interface de óxido de alumínio / água, conduzidas na linha de luz 33-ID-D na Fonte Avançada de Fótons (APS) da Argonne, com os resultados obtidos executando simulações de computador de alto desempenho no Argonne Leadership Computing Facility (ALCF). Tanto o APS quanto o ALCF são instalações do usuário do DOE Office of Science.

"Essas medições detectam a reflexão de feixes de raios-X de altíssima energia de uma interface de óxido / água", disse Zhan Zhang, físico da divisão de ciência de raios-X da Argonne. Nas energias do feixe geradas no APS, os comprimentos de onda dos raios X são semelhantes às distâncias interatômicas. Isso permite que os pesquisadores investiguem diretamente a estrutura em escala molecular da interface .
 
"Isso torna o XR uma sonda ideal para obter resultados experimentais diretamente comparáveis ​​às simulações", acrescentou Katherine Harmon, uma estudante de pós-graduação da Northwestern University, uma estudante visitante de Argonne e a primeira autora do artigo. A equipe executou as simulações no ALCF usando o código Qbox, que visa estudar propriedades finitas de temperatura de materiais e moléculas por meio de simulações baseadas na mecânica quântica.

"Fomos capazes de testar várias aproximações da teoria", disse François Gygi, da Universidade da Califórnia, Davis, parte da equipe e desenvolvedor-chefe do código Qbox. A equipe comparou as intensidades de XR medidas com as calculadas a partir de várias estruturas simuladas. Eles também investigaram como os raios-X espalhados pelos elétrons em diferentes partes da amostra interfeririam na produção do sinal observado experimentalmente.

O esforço da equipe acabou sendo mais desafiador do que o previsto. "É certo que foi uma espécie de tentativa e erro no início, quando estávamos tentando entender a geometria certa a adotar e a teoria certa que nos daria resultados precisos", disse Maria Chan, coautora do estudo e cientista do Centro de Materiais em nanoescala de Argonne, um recurso do DOE Office of Science User Facility. "No entanto, nossas idas e vindas entre teoria e experimento valeram a pena, e fomos capazes de configurar um protocolo de validação robusto que agora pode ser implantado para outras interfaces também."

"O protocolo de validação ajudou a quantificar os pontos fortes e fracos das simulações, fornecendo um caminho para a construção de modelos mais precisos de interfaces sólido / líquido no futuro", disse Kendra Letchworth-Weaver. Professora assistente na James Madison University, ela desenvolveu um software para prever sinais de XR a partir de simulações durante uma bolsa de pós-doutorado na Argonne.

As simulações também lançam uma nova visão sobre as próprias medições de XR. Em particular, eles mostraram que os dados são sensíveis não apenas às posições atômicas, mas também à distribuição de elétrons em torno de cada átomo de maneiras sutis e complexas. Esses insights serão benéficos para futuros experimentos em interfaces óxido / líquido.

A equipe interdisciplinar faz parte do Centro Integrado de Materiais Computacionais do Meio-Oeste, com sede em Argonne, um centro de ciência de materiais computacionais apoiado pelo DOE. O trabalho é apresentado em um artigo intitulado "Validando cálculos de dinâmica molecular de primeiros princípios de interfaces de óxido / água com dados de refletividade de raios-X", publicado na edição de novembro de 2020 da Physical Review Materials .

 

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