As simulações de computador são uma promessa tremenda de acelerar a engenharia molecular das tecnologias de energia verde, como novos sistemas para armazenamento de energia elétrica e uso de energia solar, bem como a captura de dióxido de carbono do meio ambiente. Contudo, o poder preditivo dessas simulações depende de ter um meio de 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 verificadas cuidadosamente usando um "protocolo de validação" apropriado envolvendo medições experimentais.

"Focamos em uma interface sólido / líquido porque as interfaces são onipresentes em materiais, e aqueles entre óxidos e água são fundamentais em muitas aplicações de energia. "- Giulia Galli, teórico com uma nomeação conjunta em Argonne e na Universidade de Chicago

Para enfrentar este desafio, uma equipe de cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), a Universidade de Chicago e a Universidade da Califórnia, Davis, desenvolveu um protocolo de validação inovador para simulações da estrutura atômica da interface entre um sólido (um óxido metálico) e água líquida. A equipe era liderada por Giulia Galli, um teórico com uma nomeação conjunta em Argonne e na Universidade de Chicago, e Paul Fenter, um experimentalista de Argonne.

"Focamos em uma interface sólido / líquido porque as interfaces são onipresentes em materiais, e aqueles entre óxidos e água são fundamentais em muitas aplicações de energia, "disse Galli.

"A data, a maioria dos protocolos de validação foram projetados para materiais a granel, ignorando interfaces, "acrescentou Fenter." Sentimos que a estrutura em escala atômica de superfícies e interfaces em ambientes realistas apresentaria um aspecto particularmente sensível, e, portanto, desafiador, abordagem de validação. "

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, conduzido na linha de luz 33-ID-D na Fonte Avançada de Fótons de Argonne (APS), com resultados obtidos pela execução de 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 energia muito alta de uma interface de óxido / água, "disse Zhan Zhang, um físico na divisão de ciência de raios-X de 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, um estudante de graduação na Northwestern University, um estudante visitante de Argonne e o primeiro autor do artigo. A equipe executou as simulações no ALCF usando o código Qbox, que é projetado para estudar propriedades finitas de temperatura de materiais e moléculas usando simulações baseadas na mecânica quântica.

"Pudemos testar várias aproximações da teoria, "disse François Gygi da Universidade da Califórnia, Davis, parte da equipe e desenvolvedor líder do código Qbox. A equipe comparou as intensidades 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. "Reconhecidamente, 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, um co-autor do estudo e cientista do Centro de Materiais em nanoescala de Argonne, um DOE Office of Science User Facility. "Contudo, 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 da James Madison University, ela desenvolveu um software para prever sinais de XR a partir de simulações durante uma bolsa de pós-doutorado em 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 para a distribuição de elétrons em torno de cada átomo de maneiras sutis e complexas. Essas percepções serão benéficas para experiências futuras em interfaces de óxido / líquido.

A equipe interdisciplinar faz parte do Centro Integrado de Materiais Computacionais do Centro-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, "que apareceu na edição de novembro de 2020 da Materiais de revisão física .