Les simulations informatiques sont très prometteuses pour accélérer l'ingénierie moléculaire des technologies énergétiques vertes, tels que les nouveaux systèmes de stockage d'énergie électrique et d'utilisation de l'énergie solaire, ainsi que la capture du dioxyde de carbone de l'environnement. Cependant, le pouvoir prédictif de ces simulations dépend du fait d'avoir un moyen de confirmer qu'elles décrivent bien le monde réel.

Une telle confirmation n'est pas une tâche simple. De nombreuses hypothèses entrent dans le montage de ces simulations. Par conséquent, les simulations doivent être soigneusement vérifiées en utilisant un « protocole de validation » approprié impliquant des mesures expérimentales.

"Nous nous sommes concentrés sur une interface solide/liquide car les interfaces sont omniprésentes dans les matériaux, et ceux entre les oxydes et l'eau sont essentiels dans de nombreuses applications énergétiques. » — Giulia Galli, théoricien avec une nomination conjointe à Argonne et l'Université de Chicago

Pour relever ce défi, une équipe de scientifiques du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), l'Université de Chicago et l'Université de Californie, Davis, a développé un protocole de validation révolutionnaire pour les simulations de la structure atomique de l'interface entre un solide (un oxyde métallique) et l'eau liquide. L'équipe était dirigée par Giulia Galli, un théoricien avec une nomination conjointe à Argonne et l'Université de Chicago, et Paul Fenter, un expérimentateur d'Argonne.

"Nous nous sommes concentrés sur une interface solide/liquide car les interfaces sont omniprésentes dans les matériaux, et ceux entre les oxydes et l'eau sont essentiels dans de nombreuses applications énergétiques, " dit Galli.

"À ce jour, la plupart des protocoles de validation ont été conçus pour les matériaux en vrac, ignorer les interfaces, " a ajouté Fenter. " Nous avons estimé que la structure à l'échelle atomique des surfaces et des interfaces dans des environnements réalistes présenterait un problème particulièrement sensible, et donc difficile, approche de validation."

La procédure de validation qu'ils ont conçue utilise des mesures de réflectivité des rayons X (XR) à haute résolution comme pilier expérimental du protocole. L'équipe a comparé les mesures XR pour une interface oxyde d'aluminium/eau, menée sur la ligne de lumière 33-ID-D à la source avancée de photons (APS) d'Argonne, avec des résultats obtenus en exécutant des simulations informatiques de haute performance à l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF). L'APS et l'ALCF sont des installations pour les utilisateurs du DOE Office of Science.

"Ces mesures détectent la réflexion de faisceaux de rayons X de très haute énergie à partir d'une interface oxyde/eau, " a déclaré Zhan Zhang, un physicien dans la division X-ray Science d'Argonne. Aux énergies de faisceau générées à l'APS, les longueurs d'onde des rayons X sont similaires aux distances interatomiques. Cela permet aux chercheurs de sonder directement la structure à l'échelle moléculaire de l'interface.

"Cela fait du XR une sonde idéale pour obtenir des résultats expérimentaux directement comparables aux simulations, " a ajouté Katherine Harmon, un étudiant diplômé de l'Université Northwestern, un étudiant invité d'Argonne et le premier auteur de l'article. L'équipe a réalisé les simulations à l'ALCF en utilisant le code Qbox, qui est conçu pour étudier les propriétés de température finie des matériaux et des molécules à l'aide de simulations basées sur la mécanique quantique.

"Nous avons pu tester plusieurs approximations de la théorie, " a déclaré François Gygi de l'Université de Californie, Davis, membre de l'équipe et développeur principal du code Qbox. L'équipe a comparé les intensités XR mesurées avec celles calculées à partir de plusieurs structures simulées. Ils ont également étudié comment les rayons X diffusés par les électrons dans différentes parties de l'échantillon interféreraient pour produire le signal observé expérimentalement.

L'effort de l'équipe s'est avéré plus difficile que prévu. « Certes, c'était un peu un essai et une erreur au début quand on essayait de comprendre la bonne géométrie à adopter et la bonne théorie qui nous donnerait des résultats précis, " dit Maria Chan, co-auteur de l'étude et scientifique au Centre des matériaux nanométriques d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science. "Toutefois, nos allers-retours entre théorie et expérimentation ont payé, et nous avons pu mettre en place un protocole de validation robuste qui peut désormais être également déployé pour d'autres interfaces."

« Le protocole de validation a permis de quantifier les forces et faiblesses des simulations, fournir une voie vers la construction de modèles plus précis d'interfaces solide/liquide à l'avenir, " a déclaré Kendra Letchworth-Weaver. Professeur adjoint à l'Université James Madison, elle a développé un logiciel pour prédire les signaux XR à partir de simulations lors d'un stage postdoctoral à Argonne.

Les simulations ont également permis de mieux comprendre les mesures XR elles-mêmes. En particulier, ils ont montré que les données sont sensibles non seulement aux positions atomiques, mais aussi à la distribution des électrons entourant chaque atome de manière subtile et complexe. Ces connaissances s'avéreront bénéfiques pour les futures expériences sur les interfaces oxyde/liquide.

L'équipe interdisciplinaire fait partie du Midwest Integrated Center for Computational Materials, dont le siège est à Argonne, un centre de science des matériaux informatiques soutenu par le DOE. Le travail est présenté dans un article intitulé "Validating first-principles moleculaire dynamics calculs of oxyde/water interfaces with X-ray reflectivity data, " paru dans le numéro de novembre 2020 de Documents d'examen physique .