Tecnologia Científica

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


Representação picta³rica 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 atoma­stica das interfaces, que são onipresentes em materiais. Crédito: Emmanuel Gygi, Universidade da Califa³rnia, San Diego

Simulações de computador prometem acelerar a engenharia molecular de tecnologias de energia verde, como novos sistemas para armazenamento de energia elanãtrica e uso de energia solar, bem como captura de dia³xido 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 éuma 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.

"Na³s nos concentramos em uma interface sãolido / la­quido porque as interfaces são onipresentes em materiais, e aquelas entre a³xidos e águasão essenciais em muitas aplicações de energia." - Giulia Galli, tea³rica com uma nomeação conjunta na Argonne e na Universidade de Chicago

Para enfrentar este desafio, uma equipe de cientistas do Laborata³rio Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE), da Universidade de Chicago e da Universidade da Califa³rnia, Davis, desenvolveu um protocolo de validação inovador para simulações da estrutura atômica da interface entre um sãolido (um a³xido de metal) e águala­quida . A equipe foi liderada por Giulia Galli, uma tea³rica com um compromisso conjunto em Argonne e na Universidade de Chicago, e Paul Fenter, um experimentalista de Argonne.

“Na³s nos concentramos em uma interface sãolido / la­quido porque as interfaces são onipresentes em materiais, e aquelas entre a³xidos e águasão fundamentais em muitas aplicações de energia”, disse Galli.

"Atéo momento, a maioria dos protocolos de validação foi projetada para materiais a granel, ignorando interfaces", acrescentou Fenter. "Sentimos que a estrutura em escala atômica desuperfÍcies e interfaces em ambientes realistas apresentaria uma abordagem de validação particularmentesensívele, 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 a³xido de aluma­nio / a¡gua, conduzidas na linha de luz 33-ID-D na Fonte Avana§ada de Fa³tons (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 usua¡rio do DOE Office of Science.

"Essas medições detectam a reflexa£o de feixes de raios-X de alta­ssima energia de uma interface de a³xido / a¡gua", disse Zhan Zhang, fa­sico 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 a s 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 compara¡veis ​​a s 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 ca³digo Qbox, que visa estudar propriedades finitas de temperatura de materiais e moléculas por meio de simulações baseadas na meca¢nica qua¢ntica.

"Fomos capazes de testar várias aproximações da teoria", disse Frana§ois Gygi, da Universidade da Califa³rnia, Davis, parte da equipe e desenvolvedor-chefe do ca³digo 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 elanãtrons em diferentes partes da amostra interfeririam na produção do sinal observado experimentalmente.

O esfora§o da equipe acabou sendo mais desafiador do que o previsto. "a‰ certo que foi uma espanãcie de tentativa e erro no ina­cio, quando esta¡vamos 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 sãolido / la­quido 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 pa³s-doutorado na Argonne.

As simulações também lana§am uma nova visão sobre as próprias medições de XR. Em particular, eles mostraram que os dados são sensa­veis não apenas a s posições atômicas, mas também a  distribuição de elanãtrons em torno de cada a¡tomo de maneiras sutis e complexas. Esses insights sera£o benéficos para futuros experimentos em interfaces a³xido / la­quido.

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 éapresentado em um artigo intitulado "Validando ca¡lculos de dina¢mica molecular de primeiros princa­pios de interfaces de a³xido / águacom dados de refletividade de raios-X", publicado na edição de novembro de 2020 da Physical Review Materials .

 

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