Computersimulaties houden een enorme belofte in om de moleculaire engineering van groene energietechnologieën te versnellen, zoals nieuwe systemen voor de opslag van elektrische energie en het gebruik van zonne-energie, evenals de afvang van kooldioxide uit de omgeving. Echter, de voorspellende kracht van deze simulaties hangt af van het hebben van een middel om te bevestigen dat ze inderdaad de echte wereld beschrijven.

Een dergelijke bevestiging is geen eenvoudige taak. Bij de opzet van deze simulaties spelen veel aannames. Als resultaat, de simulaties moeten zorgvuldig worden gecontroleerd met behulp van een geschikt "validatieprotocol" met experimentele metingen.

"We hebben ons gericht op een vast/vloeibaar grensvlak omdat grensvlakken alomtegenwoordig zijn in materialen, en die tussen oxiden en water zijn de sleutel in veel energietoepassingen." — Giulia Galli, theoreticus met een gezamenlijke aanstelling bij Argonne en de Universiteit van Chicago

Om deze uitdaging aan te gaan, een team van wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), de Universiteit van Chicago en de Universiteit van Californië, Davis, ontwikkelde een baanbrekend validatieprotocol voor simulaties van de atomaire structuur van het grensvlak tussen een vaste stof (een metaaloxide) en vloeibaar water. Het team werd geleid door Giulia Galli, een theoreticus met een gezamenlijke aanstelling bij Argonne en de Universiteit van Chicago, en Paul Fenter, een Argonne-experimentator.

"We hebben ons gericht op een vast/vloeibaar grensvlak omdat grensvlakken alomtegenwoordig zijn in materialen, en die tussen oxiden en water zijn de sleutel in veel energietoepassingen, ' zei Galli.

"Daten, de meeste validatieprotocollen zijn ontworpen voor bulkmaterialen, interfaces negeren, " voegde Fenter toe. "We waren van mening dat de structuur op atomaire schaal van oppervlakken en interfaces in realistische omgevingen een bijzonder gevoelig, en daarom uitdagend, validatiebenadering."

De validatieprocedure die ze ontwierpen, maakt gebruik van röntgenreflectiviteitsmetingen (XR) met hoge resolutie als de experimentele pijler van het protocol. Het team vergeleek XR-metingen voor een aluminiumoxide/water-interface, uitgevoerd bij bundellijn 33-ID-D bij Argonne's Advanced Photon Source (APS), met resultaten verkregen door het uitvoeren van krachtige computersimulaties bij de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF). Zowel de APS als de ALCF zijn DOE Office of Science User Facilities.

"Deze metingen detecteren de reflectie van röntgenstralen met zeer hoge energie van een oxide/water-interface, " zei Zhan Zhang, een fysicus in de afdeling X-ray Science van Argonne. Bij de bundelenergieën gegenereerd bij de APS, de röntgengolflengten zijn vergelijkbaar met interatomaire afstanden. Hierdoor kunnen de onderzoekers de moleculaire structuur van de interface direct onderzoeken.

"Dit maakt XR een ideale sonde om experimentele resultaten te verkrijgen die direct vergelijkbaar zijn met simulaties, " voegde Katherine Harmon toe, een afgestudeerde student aan de Northwestern University, een gaststudent van Argonne en de eerste auteur van het artikel. Het team voerde de simulaties uit bij de ALCF met behulp van de Qbox-code, die is ontworpen om eindige temperatuureigenschappen van materialen en moleculen te bestuderen met behulp van simulaties op basis van kwantummechanica.

"We waren in staat om verschillende benaderingen van de theorie te testen, " zei Francois Gygi van de Universiteit van Californië, Davis, onderdeel van het team en hoofdontwikkelaar van de Qbox-code. Het team vergeleek de gemeten XR-intensiteiten met die berekend op basis van verschillende gesimuleerde structuren. Ze onderzochten ook hoe röntgenstralen die door de elektronen in verschillende delen van het monster worden verstrooid, zouden interfereren om het experimenteel waargenomen signaal te produceren.

De inspanning van het team bleek uitdagender dan verwacht. "Toegegeven, het was in het begin een beetje vallen en opstaan ​​toen we probeerden de juiste geometrie te begrijpen en de juiste theorie die ons nauwkeurige resultaten zou geven, " zei Maria Chan, een co-auteur van de studie en wetenschapper bij Argonne's Center for Nanoscale Materials, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. "Echter, ons heen en weer tussen theorie en experiment wierp zijn vruchten af, en we waren in staat om een ​​robuust validatieprotocol op te zetten dat nu ook voor andere interfaces kan worden ingezet."

"Het validatieprotocol hielp bij het kwantificeren van de sterke en zwakke punten van de simulaties, het bieden van een weg naar het bouwen van nauwkeurigere modellen van vaste / vloeibare interfaces in de toekomst, " zei Kendra Letchworth-Weaver. Een assistent-professor aan de James Madison University, ze ontwikkelde software om XR-signalen uit simulaties te voorspellen tijdens een postdoctoraal mandaat bij Argonne.

De simulaties werpen ook nieuw inzicht in de XR-metingen zelf. Vooral, ze toonden aan dat de gegevens niet alleen gevoelig zijn voor de atomaire posities, maar ook op de elektronenverdeling die elk atoom op subtiele en complexe manieren omringt. Deze inzichten zullen nuttig zijn voor toekomstige experimenten op oxide/vloeistof-interfaces.

Het interdisciplinaire team maakt deel uit van het Midwest Integrated Center for Computational Materials, hoofdkantoor in Argonne, een computationeel materiaalwetenschapscentrum ondersteund door DOE. Het werk wordt gepresenteerd in een artikel getiteld "Validating first-principles moleculaire dynamische berekeningen van oxide/water-interfaces met röntgenreflectiviteitsgegevens, " die verscheen in het novembernummer van 2020 Fysiek beoordelingsmateriaal .