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シミュレーションは原子スケールで現実の世界を表していますか?

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20年2021月XNUMX日(Nanowerkニュース)コンピュータシミュレーションは、電気エネルギー貯蔵や太陽エネルギー使用のための新しいシステム、環境からの二酸化炭素の回収など、グリーンエネルギー技術の分子工学を加速する大きな可能性を秘めています。 ただし、これらのシミュレーションの予測力は、実際に現実の世界を記述していることを確認する手段があるかどうかにかかっています。 このような確認は簡単な作業ではありません。 多くの仮定がこれらのシミュレーションの設定に入ります。 その結果、シミュレーションは、実験測定を含む適切な「検証プロトコル」を使用して注意深くチェックする必要があります。 この課題に対処するために、米国エネルギー省(DOE)のアルゴンヌ国立研究所、シカゴ大学、カリフォルニア大学デービス校の科学者チームは、固体(金属酸化物)および液体水(フィジカルレビュー資料, 「X線反射率データを使用した酸化物/水界面の第一原理分子動力学計算の検証」)。 チームは、アルゴンヌとシカゴ大学で共同任命された理論家のジュリア・ガリと、アルゴンヌの実験家であるポール・フェンターによって率いられました。 原子スケールでのコンピュータシミュレーション 材料の共同実験および計算研究の絵画的表現。 この研究では、Advanced Photon Source(上のパネル)とArgonne Leadership Computing Facility(下のパネル)を利用しました。 チームは、材料に遍在する界面の原子構造に取り組みました。 (画像:カリフォルニア大学サンディエゴ校のEmmanuel Gygi)「界面は材料に遍在し、酸化物と水の間の界面が多くのエネルギー用途で重要であるため、固体/液体界面に焦点を合わせました」とGalli氏は述べています。 「これまで、ほとんどの検証プロトコルは、インターフェースを無視して、バルク材料用に設計されてきました」とフェンター氏は付け加えました。 「現実的な環境での表面と界面の原子スケールの構造は、特に敏感で、したがって挑戦的な検証アプローチを提示すると感じました。」 彼らが設計した検証手順では、プロトコルの実験の柱として高解像度X線反射率(XR)測定を使用します。 チームは、アルゴンヌ国立研究所(APS)のビームライン33-ID-Dで実施された酸化アルミニウム/水界面のXR測定値を、アルゴンヌリーダーシップコンピューティング施設(ALCF)で高性能コンピューターシミュレーションを実行して得られた結果と比較しました。 APSとALCFはどちらもDOE科学局のユーザー施設です。 「これらの測定値は、酸化物/水界面からの非常に高エネルギーのX線ビームの反射を検出します」とアルゴンヌのX線科学部門の物理学者であるZhanZhangは述べています。 APSで生成されたビームエネルギーでは、X線の波長は原子間距離に似ています。 これにより、研究者は界面の分子スケールの構造を直接調べることができます。 「これにより、XRは、シミュレーションに直接匹敵する実験結果を取得するための理想的なプローブになります」と、ノースウェスタン大学の大学院生であり、アルゴンヌの訪問学生であり、論文の筆頭著者であるキャサリンハーモンは付け加えました。 チームは、量子力学に基づくシミュレーションを使用して材料と分子の有限温度特性を研究するように設計されたQboxコードを使用して、ALCFでシミュレーションを実行しました。 「理論のいくつかの近似をテストすることができました」と、チームの一員でQboxコードの主任開発者であるカリフォルニア大学デービス校のFrancoisGygi氏は述べています。 チームは、測定されたXR強度を、いくつかのシミュレートされた構造から計算された強度と比較しました。 彼らはまた、サンプルのさまざまな部分の電子から散乱されたX線がどのように干渉して実験的に観察された信号を生成するかを調査しました。 チームの努力は、予想よりも困難であることが判明しました。 「確かに、採用する正しい形状と正確な結果をもたらす正しい理論を理解しようとしたとき、最初は少し試行錯誤でした」と、この研究の共著者であるマリア・チャンは述べています。 DOE科学局ユーザー施設であるアルゴンヌ国立ナノスケール材料センターの科学者。 「しかし、理論と実験の間を行き来することで成果が得られ、他のインターフェースにも展開できる堅牢な検証プロトコルを設定することができました。」 「検証プロトコルは、シミュレーションの長所と短所を定量化するのに役立ち、将来、固体/液体界面のより正確なモデルを構築するための経路を提供しました」とケンドラレッチワースウィーバーは述べています。 ジェームズマディソン大学の助教授である彼女は、アルゴンヌでのポスドク研究員としてのシミュレーションからXR信号を予測するソフトウェアを開発しました。 シミュレーションはまた、XR測定自体に関する新しい洞察をもたらします。 特に、彼らは、データが原子の位置だけでなく、微妙で複雑な方法で各原子を取り巻く電子分布にも敏感であることを示しました。

出典:https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=57058.php

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