Las simulaciones por computadora son tremendamente prometedoras para acelerar la ingeniería molecular de las tecnologías de energía verde, como nuevos sistemas para el almacenamiento de energía eléctrica y el uso de energía solar, así como la captura de dióxido de carbono del medio ambiente. Sin embargo, el poder predictivo de estas simulaciones depende de tener un medio para confirmar que realmente describen el mundo real.

Esta confirmación no es una tarea sencilla. Muchas suposiciones entran en la configuración de estas simulaciones. Como resultado, las simulaciones deben comprobarse cuidadosamente mediante el uso de un "protocolo de validación" apropiado que implique mediciones experimentales.

"Nos centramos en una interfaz sólido / líquido porque las interfaces son omnipresentes en los materiales, y los que se encuentran entre los óxidos y el agua son clave en muchas aplicaciones energéticas ". Giulia Galli, teórico con un nombramiento conjunto en Argonne y la Universidad de Chicago

Para abordar este desafío, un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), la Universidad de Chicago y la Universidad de California, Davis, desarrolló un protocolo de validación innovador para simulaciones de la estructura atómica de la interfaz entre un sólido (un óxido metálico) y un agua líquida. El equipo estaba dirigido por Giulia Galli, un teórico con un nombramiento conjunto en Argonne y la Universidad de Chicago, y Paul Fenter, un experimentalista de Argonne.

"Nos centramos en una interfaz sólido / líquido porque las interfaces son omnipresentes en los materiales, y los que se encuentran entre los óxidos y el agua son clave en muchas aplicaciones energéticas, "dijo Galli.

"Hasta la fecha, la mayoría de los protocolos de validación se han diseñado para materiales a granel, ignorando interfaces, ", agregó Fenter." Sentimos que la estructura a escala atómica de superficies e interfaces en entornos realistas presentaría una especial sensibilidad, y por lo tanto desafiante, enfoque de validación ".

El procedimiento de validación que diseñaron utiliza mediciones de reflectividad de rayos X (XR) de alta resolución como el pilar experimental del protocolo. El equipo comparó las mediciones de XR para una interfaz de óxido de aluminio / agua, realizado en la línea de luz 33-ID-D en la fuente de fotones avanzada (APS) de Argonne, con resultados obtenidos mediante la ejecución de simulaciones informáticas de alto rendimiento en Argonne Leadership Computing Facility (ALCF). Tanto APS como ALCF son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

"Estas mediciones detectan el reflejo de haces de rayos X de muy alta energía desde una interfaz óxido / agua, "dijo Zhan Zhang, físico de la división de ciencia de rayos X de Argonne. A las energías del haz generadas en el APS, las longitudes de onda de los rayos X son similares a las distancias interatómicas. Esto permite a los investigadores sondear directamente la estructura a escala molecular de la interfaz.

"Esto hace que XR sea una sonda ideal para obtener resultados experimentales directamente comparables a las simulaciones, "agregó Katherine Harmon, estudiante de posgrado en la Universidad Northwestern, un estudiante visitante de Argonne y el primer autor del artículo. El equipo ejecutó las simulaciones en el ALCF utilizando el código Qbox, que está diseñado para estudiar las propiedades de temperatura finita de materiales y moléculas mediante simulaciones basadas en la mecánica cuántica.

"Pudimos probar varias aproximaciones de la teoría, "dijo Francois Gygi de la Universidad de California, Davis, parte del equipo y desarrollador líder del código Qbox. El equipo comparó las intensidades XR medidas con las calculadas a partir de varias estructuras simuladas. También investigaron cómo los rayos X dispersos de los electrones en diferentes partes de la muestra interferirían para producir la señal observada experimentalmente.

El esfuerzo del equipo resultó ser más desafiante de lo previsto. "Cierto es que, Fue un poco de prueba y error al principio cuando intentábamos entender la geometría correcta a adoptar y la teoría correcta que nos daría resultados precisos. "dijo Maria Chan, coautor del estudio y científico del Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. "Sin embargo, nuestro ir y venir entre la teoría y el experimento valió la pena, y pudimos configurar un protocolo de validación robusto que ahora también se puede implementar para otras interfaces ".

"El protocolo de validación ayudó a cuantificar las fortalezas y debilidades de las simulaciones, proporcionar un camino hacia la construcción de modelos más precisos de interfaces sólido / líquido en el futuro, ", dijo Kendra Letchworth-Weaver. Profesora asistente en la Universidad James Madison, desarrolló un software para predecir señales XR a partir de simulaciones durante una beca postdoctoral en Argonne.

Las simulaciones también arrojan nuevos conocimientos sobre las propias mediciones XR. En particular, demostraron que los datos son sensibles no solo a las posiciones atómicas, sino también a la distribución de electrones que rodea a cada átomo de formas sutiles y complejas. Estos conocimientos resultarán beneficiosos para futuros experimentos sobre interfaces óxido / líquido.

El equipo interdisciplinario es parte del Midwest Integrated Center for Computational Materials, con sede en Argonne, un centro de ciencia de materiales computacionales apoyado por DOE. El trabajo se presenta en un artículo titulado "Validación de los primeros principios de los cálculos de dinámica molecular de interfaces óxido / agua con datos de reflectividad de rayos X". "que apareció en la edición de noviembre de 2020 de Materiales de revisión física .