模拟实际上代表了原子尺度上的真实世界吗？

材料的联合实验和计算研究的图形表示。该研究利用了高级光子源（上图）和Argonne领导力计算工具（下图）。该团队研究了材料中普遍存在的界面的原子结构。

多学科研究团队开发了用于验证计算机仿真的新策略。

计算机仿真具有巨大的前景，有望加快绿色能源技术的分子工程学，例如用于电能存储和太阳能使用以及从环境中捕获二氧化碳的新系统。但是，这些模拟的预测能力取决于是否有一种方法可以确认它们确实描述了真实世界。

这样的确认不是简单的任务。许多假设进入了这些模拟的设置。结果，必须通过使用适当的涉及实验测量的``验证协议''来仔细检查模拟。

“我们专注于固/液界面，因为界面在材料中无处不在，而氧化物和水之间的界面是许多能源应用中的关键。”—朱利娅·加利（Giulia Galli），理论家，曾在阿贡（Argonne）和芝加哥大学（University of Chicago）联合任命

为了应对这一挑战，美国能源部（DOE）阿尔贡国家实验室，芝加哥大学和加利福尼亚大学戴维斯分校的一组科学家开发了一种突破性的验证协议，用于模拟原子之间的界面原子结构。固体（一种金属氧化物）和液态水。该团队由在阿尔贡（Argonne）和芝加哥大学（University of Chicago）共同任命的理论家朱利亚·加利（Giulia Galli）和阿尔贡（Argonne）实验家保罗·芬特（Paul Fenter）领导。

“我们专注于固/液界面，因为界面在材料中无处不在，而氧化物和水之间的界面是许多能源应用中的关键，”加利说。

“到目前为止，大多数验证协议都是针对散装材料而设计的，而忽略了界面，” Fenter补充说。``我们认为现实环境中表面和界面的原子尺度结构将呈现出一种特别敏感，因此具有挑战性的验证方法。''

他们设计的验证程序使用高分辨率X射线反射率（XR）测量作为协议的实验支柱。该小组比较了在Argonne的高级光子源（APS）的光束线33-ID-D上对氧化铝/水界面的XR测量结果，以及通过在Argonne Leadership Computing Facility（ALCF）上进行高性能计算机仿真获得的结果。APS和ALCF都是DOE科学办公室用户设施办公室。

“这些测量可以检测出来自氧化物/水界面的非常高能的X射线束的反射，” Argonne的X射线科学仪的物理学家Zhan Zhang说。在APS产生的光束能量下，X射线波长类似于原子间距离。这使研究人员可以直接探测界面的分子尺度结构。

“这使XR成为获得可直接与模拟媲美的实验结果的理想探针，”西北大学研究生，阿贡大学的客座学生，论文的第一作者凯瑟琳·哈蒙（Katherine Harmon）补充说。该团队使用Qbox代码在ALCF上运行了仿真，该代码旨在使用基于量子力学的仿真来研究材料和分子的有限温度特性。

“我们能够测试该理论的几种近似方法，”来自加利福尼亚大学戴维斯分校的弗朗索瓦·吉吉（Francois Gygi）说，他是Qbox代码团队的主要开发人员。该团队将测量的XR强度与从几种模拟结构计算出的强度进行了比较。他们还研究了从电子在样品的不同部分散射的X射线将如何干扰产生实验观察到的信号。

团队的努力比预期的更具挑战性。该研究的合著者玛丽亚·陈（Maria Chan）表示：``诚然，当我们试图了解采用的正确几何形状和能够为我们提供准确结果的正确理论时，一开始是一个反复的尝试。美国能源部科学用户设施办公室阿贡纳米级材料中心的科学家和科学家。``但是，我们在理论和实验之间的来回获得了回报，我们能够建立一个强大的验证协议，该协议现在也可以部署到其他接口上。''

Kendra Letchworth-Weaver说：“验证协议有助于量化模拟的优缺点，为将来建立更精确的固/液界面模型提供了一条途径。”她是詹姆斯·麦迪逊大学（James Madison University）的助理教授，在阿贡（Argonne）博士后奖学金期间，她开发了软件来预测模拟的XR信号。

这些模拟还为XR测量本身提供了新的见解。他们特别指出，数据不仅对原子位置敏感，而且对微妙而复杂的方式围绕每个原子的电子分布也很敏感。这些见解将证明对将来在氧化物/液体界面上的实验有益。

参考：Katherine J. Harmon，Kendra Letchworth-Weaver，Alex P. Gaiduk，Federico Giberti，Francois Gygi，Maria KY Chan，Paul Fenter和Giulia撰写的“用X射线反射率数据验证氧化物/水界面的第一性分子动力学计算”加里（Galli），2020年11月16日，实物评论材料。
10.1103 / PhysRevMaterials.4.113805

该跨学科团队是中西部计算材料综合中心的一部分，该中心总部位于美国能源部支持的计算材料科学中心阿贡。这项工作发表在题为``用X射线反射率数据验证氧化物/水界面的第一性原理分子动力学计算''的文章中，该文章发表在2020年11月的《物理评论材料》（Physical Review Materials）上。该项目得到了美国能源部基础能源科学办公室，实验室指导研究与开发奖以及国防部的支持。ALCF的计算时间是通过DOE的ASCR领导力计算挑战赛获得的。