Importance of nuclear quantum effects on the structure of supercooled water around its liquid--liquid critical point
Center for Advanced Systems Understanding (CASUS)（先进系统理解中心）；Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf（德累斯顿-罗斯多夫亥姆霍兹中心）；Paderborn University（帕德博恩大学）；Technische Universität Dresden（德累斯顿工业大学）
研究通过比较经典分子动力学和路径积分分子动力学模拟，探讨核量子效应如何影响超冷却水液-液相变的结构特征。
2026-05-18 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Hydrogen-Bond Donor-Acceptor Imbalance in Low-Frequency Terahertz Water Spectra
University of Southampton（南安普顿大学）；The Abdus Salam Centre for Theoretical Physics（阿卜杜斯·萨拉姆理论物理中心）；National Research Council of Italy（意大利国家研究委员会）
研究液态水低频太赫兹光谱中氢键供体-受体失衡问题，用集体德拜弛豫加德鲁德-史密斯项表示介电函数，通过分子动力学模拟等方法，揭示其与核电子介电响应及氢键网络失衡的关系。
2026-07-09 cond-mat.soft physics.chem-ph
Structural Origin of Water Heat Capacity Anomaly from Classical and Quantum Simulations
University of California, Davis（加州大学戴维斯分校）；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）；Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）
研究水热容量异常的结构起源，采用经典和路径积分分子动力学方法，发现核量子效应抑制高频振动，热容量异常源于结构波动，通过两态映射揭示有效焓标度，建立微观联系。
2026-08-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Beyond freezing: amorphous water in biomimetic soft nanoconfinement
水是一种普遍存在的液体，具有独特的物理化学性质，其性质塑造了我们所知道的地球和生命。水在有限的几何形状中具有与散装不同的性质。限制可以防止低温结晶成六方结构，从而产生无定形水的状态。在这项工作中，我们介绍了一个家庭的合成脂质与设计的环丙基改性的疏水链，表现出独特的液晶行为在低温下，使无定形水的维护低至10 K由于纳米限制在仿生环境。小角和广角X射线散射、弹性和非弹性中子散射、核磁共振光谱和差示扫描量热法，辅以分子动力学模拟，揭示了复杂的脂质/水相图，其中含有零度以下液体、玻璃态或冰水的双连续立方和层状液晶相作为两种组分之间的竞争出现，每一个都在向它的理想状态推进。
2018-10-16 cond-mat.soft
The Violation of Stokes-Einstein Relation in Supercooled Water
通过将水限制在纳米孔中，如此狭窄以至于液体不能冻结，可以在低于其均匀成核温度TH ~ 235 K的情况下探索其性质。特别是，水的动力学参数可以测量到低至180 K，接近建议的玻璃化转变温度Tg ~ 165 K。在这里，我们提出的实验证据，从核磁共振和准弹性中子散射光谱，一个定义良好的解耦的传输特性（自扩散系数和平均平移弛豫时间），这意味着故障的斯托克斯-爱因斯坦关系。我们进一步表明，这种非单调解耦反映了最近观察到的动态交叉的特点，在约225 K，两个动力学行为之间被称为脆弱和强大的，这是一个后果的氢键结构的变化的液态水。
2006-05-17 cond-mat.soft
When Theory Meets Experiment: What Does it Take to Accurately Predict $^1$H NMR Dipolar Relaxation Rates in Neat Liquid Water from Theory?
本研究利用CCMD轨迹和核量子效应计算液态水$^1$H NMR弛豫速率，通过重新平衡旋转与平移动力学，实现了与实验数据的近乎完美吻合。
2024-11-20 cond-mat.soft physics.chem-ph
Temperature-dependent mechanisms for the dynamics of protein-hydration waters: a molecular dynamics simulation study
利用分子动力学模拟研究了弹性蛋白样肽和胶原蛋白样肽水化壳的温度依赖性动力学和结构。对于这两个模型肽，它是一致的观察到，在冷却时，水动力学的机制不断变化，从小步扩散运动到大步跳跃运动，水动力学的温度依赖性表现出弱交叉从脆弱的行为到强的行为，和氢键网络的顺序增加。从脆弱到强大的行为的弱交叉的温度被发现与达到氢键网络的最大可能的顺序，使结构变得与温度无关的温度相一致。在强区，水的平移和旋转动力学的温度依赖性的特征在于由一个激活能ca。E_a=0.43 eV，与以前对蛋白质水化水的介电谱和核磁共振研究结果一致。在这些温度下，围绕双重分子对称轴的扭曲π翻转运动，即，水特异性β过程是水动力学的一个重要方面，至少在水-肽界面处是如此。此外，它示出的水合水表现出明显的动力学不均匀性，这可以追溯到一个强烈的放缓水运动的肽分子附近，由于形成水-肽氢键。
2009-02-20 cond-mat.soft
Using a monomer potential energy surface to perform approximate path integral molecular dynamics simulation of ab-initio water with near-zero added cost
现在已经确定，核量子运动在决定水的氢键、结构和动力学方面起着重要作用。这种效应对于包括在基于水的密度泛函理论（DFT）的分子动力学模拟中是重要的。处理核量子效应的标准方法，路径积分分子动力学（PIMD），将能量/力计算的数量乘以所需的珠子数量。在这项工作中，我们介绍了一种方法，使PIMD可以被纳入DFT模拟，几乎没有额外的成本和精度损失。该方法基于能量的多体展开，并且具有包括对DFT能量的单体水平校正的益处。我们的方法计算分子内力使用高度精确的单体势能面开发的Partridge-Schwenke，这是廉价的评估。分子间力和能量的计算与DFT只有一次，每个时间步长使用质心位置。我们展示了我们的方法如何与多时间步长算法结合使用，以获得额外的加速，以及它如何与最近引入的环聚合物收缩和其他计划有关，以加快PIMD模拟。我们表明，我们的方法，我们称之为“单体PIMD”，正确地捕捉在一个完整的PIMD模拟中发现的水的结构的变化，但在低得多的计算成本。
2018-12-03 cond-mat.soft physics.chem-ph physics.comp-ph
Quantum Delocalization Enables Water Dissociation on Ru(0001)
本研究通过纳秒级路径积分分子动力学模拟与高精度机器学习势，揭示了核量子效应引发的量子离域通过促进质子转移实现水在Ru(0001)表面的解离，为该长期争议提供了直接理论证据。
2025-04-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Proton-transfer dynamics in ionized water chains using real-time Time Dependent Density Functional Theory
在光电离水基体系的密度泛函理论研究中，电荷局域化在质子转移动力学中的作用还没有得到很好的理解。这是由于在存在交换和相关函数误差的情况下提取耦合电子-核非绝热动力学的贡献的固有复杂性。在这项工作中，我们解决了这个问题，通过使用实时依赖于时间的密度泛函理论（rt-TDDFT）为基础的Escherichfest动力学模拟电离线性氢键水簇模型系统。我们的目的是了解半局域交换和相关泛函中的自相互作用误差如何影响质子转移的概率。特别是，我们表明，对于H-键合（H $_2$ O）$_n^+$链（与$n>3$），质子转移概率达到最大值，成为可比的混合泛函预测。这是因为在扩展的氢键结构中，半键合型几何形状的形成在很大程度上受到抑制。我们还展示了如何连接到质子转移反应的概率，以及电子和核电荷之间的分离的初始光空穴的本地化程度。这些结果与绝热动力学的初始波函数被允许放松的离子簇的基态，解释为什么不同的泛函和动力学方法导致定量不同的结果。
2020-07-22 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.chem-ph
Water Dynamics at Rough Interfaces
我们使用分子动力学计算机模拟和核磁共振实验来研究水在分子粗糙度和低流动性界面上的动力学。我们发现，当接近这样的界面时，水的结构弛豫，即，$α$过程，甚至在缺乏特定的吸引相互作用时也会减慢。这种突出的效果是伴随着一个平稳的过渡，从沃格尔到阿克里乌斯温度依赖性和跳跃事件的重要性日益增加。一致的，在蛋白质表面，偏离阿克里乌斯行为是弱的自由水不存在时。此外，在纳米多孔二氧化硅中，当一部分固体水在225 K附近形成时，会发生液态水的动态交叉，因此，液体动力学从体相转变为界面主导。在足够低的温度下，水表现出准普适的$β$过程，其特征在于活化能为$E_a\!=\!0.5$ eV，并且涉及关于大角度的各向异性重新取向。作为其大幅度的结果，更快的$β$过程基本上破坏了所有的取向相关性，使得在标准实验中难以观察到可能更慢的$α$过程。尽管如此，我们发现的迹象表明存在的结构弛豫下降到玻璃化转变的界面水接近185 K。水合蛋白质显示出高度限制的骨架运动的幅度，这减少冷却后，在可比的温度下消失，提供了证据的高度相关性的水重排的水化壳的二级蛋白质松弛。
2014-07-21 cond-mat.soft
Quadrupolar $^{23}$Na$^{+}$ NMR Relaxation as a Probe of Subpicosecond Collective Dynamics in Aqueous Electrolyte Solutions
核磁共振弛豫法是一种提取动态信息的有力工具。然而，对于通过四极机制弛豫的许多离子，获得与分子运动的联系是具有挑战性的，所述四极机制由电场梯度波动介导并且缺乏详细的微观描述。对于钠离子在电解质水溶液中，我们结合从头算计算来解释电子云效应与经典的分子动力学采样长时间的波动，并获得在宽的浓度和温度范围内与实验吻合良好的弛豫速率。我们证明，四极核弛豫对以前基于水重新取向或团簇旋转的模型未捕获的亚皮秒动力学敏感。虽然离子影响整体的水阻滞，实验趋势主要是解释动力学的前两个溶剂化壳钠，其中主要含有水。因此，这项工作铺平了道路，定量了解电解质和生物电解质系统中的四极松弛。
2022-12-26 cond-mat.soft physics.chem-ph
Explicit calculation of nuclear magnetic resonance relaxation rates in small pores to elucidate molecular scale fluid dynamics
提出了一个将纳米孔内流体的分子尺度动力学与核磁共振（NMR）弛豫速率联系起来的模型。该模型是适合实验NMR分散的水和油在油页岩假设，每种流体的特点是由三个时间常数和Lévy统计。结果产生有意义的和一致的孔内动力学时间常数，深入了解扩散机制和孔形态。该模型适用于广泛的多孔系统和先进的NMR色散作为一个强大的工具，用于测量纳米多孔流体的性质。
2016-06-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Direct Observation of the Translational Immobilization of Water Molecules Under Nanoscale Confinement
该研究利用ODNP直接测量反胶束内水的平移扩散，揭示纳米限域可使其显著减缓甚至近停止，并估计恢复类体相动力学需数万个水分子。
2024-10-28 cond-mat.soft physics.chem-ph
Electron-hole theory of the effect of quantum nuclei on the x-ray absorption spectra of liquid water
利用电子空穴激发理论揭示了核量子效应对水的X射线吸收光谱特征的影响，并采用路径积分分子动力学和MB-pol分子间势模型计算了水的结构.与从经典模拟的水产生的光谱相比，量子核在能量和线形方面对光谱引入了重要影响。由于离域质子的波动影响短程有序的氢键网络通过分子内共价的变化，这扩大了前边缘光谱。对于中程和长程有序，量子核比经典质子更接近邻近的氧原子，促进了“冰状”光谱特征，其强度从主边缘转移到后边缘。计算光谱与现有的实验数据几乎定量一致。
2018-09-27 cond-mat.soft physics.chem-ph physics.comp-ph
Non-equilibrium pathway to mesoscale ordering in ethanol-water binary liquid
Hubei University of Technology（湖北工业大学）；Wuhan University of Technology（武汉理工大学）；Chinese Academy of Sciences（中国科学院）
通过周期性热振荡驱动乙醇-水混合物沿完整的分级自组装路径实现介观有序，揭示溶液非理想性的动力学起源。
2026-05-25 cond-mat.soft physics.atom-ph
