Two-Dimensional Water in Graphene Nanocapillaries Simulated with Different Force Fields: Rhombic Versus Square Structures, Proton Ordering, and Phase Transitions
氢键模式，质子排序，和相变的单层冰在二维疏水约束是从根本上不同的散装冰。为了研究准二维冰的行为，我们进行了分子动力学模拟的固定石墨烯板之间的距离为0.65 nm的限制水。虽然实验结果仍然是有限的，理论研究往往是基于一个单一的力场模型，这项工作提出了一个系统的研究，使用不同的水力场，即SPCE，TIP 3 P，TIP 4P，TIP 4P/ICE，TIP 5 P。在1000 MPa的压力下，石墨烯毛细管的水占有率被确定为每平方纳米13.5至13.9个水分子，这取决于水力场的选择。为了确保构型空间的完整采样，并克服分离亚稳结构的障碍，这些模拟是基于副本交换分子动力学技术。我们报道了不同的四氢氢键模式，这些模式被归类为近正方形或菱形。虽然许多这些安排是平坦的，但在某些情况下，也发现了褶皱的安排。也被认为是准二维水结构的质子排序，允许确定它们为铁电，铁电或反铁电。对于200 K和400 K之间的温度，我们发现几个二级相变从一个冰结构到另一个，改变在许多情况下，氧原子和质子的排列。对于400 K和600 K之间的温度有融化一样的转变，从单层的冰到单层的液态水。这些一级相变的潜热在3.4和4.0 kJ/mol之间。
2019-01-14 cond-mat.soft physics.chem-ph
Molecular reordering processes on ice (0001) surfaces from long timescale simulations
我们报告了长时间尺度自适应动力学蒙特卡罗模拟的结果，旨在确定可能的分子重排过程的质子无序和有序（弗莱彻）基面（0001）表面的六边形冰。模拟基于柔性分子的力场，在100 K的温度下跨越长达50 μs的时间间隔，这代表了地球大气温度范围的下限。使用密度泛函理论和基于从头计算的极化势函数进行额外的计算，以测试和完善力场的预测。几个不同的过程被发现容易发生，即使在这种低的温度，包括协调的重新取向（翻转）的相邻表面分子，这改变了悬挂的H-原子的图案，并形成间隙缺陷的向下运动的上层双层分子。在质子无序表面上，观察到一个主要的表面粗糙化过程，其显著地破坏了晶体结构。尽管更长的模拟时间，这样的粗糙化过程中没有观察到的高度有序的弗莱彻表面，这是积极的更稳定，因为相邻的悬挂H-原子之间的排斥作用较小。然而，一个更本地化的过程发生在弗莱彻表面涉及的表面分子暂时离开其晶格位点。翻转过程提供了一个简单的途径，增加质子的顺序和稳定的表面，支持一个主要的弗莱彻样排序的低温冰表面，但我们的模拟也表明，质子无序补丁的表面上可能会引起显着的局部重建。此外，弗莱彻表面上的分子的子集易于形成间隙缺陷。
2014-11-28 physics.chem-ph
Kinetic energy of protons in ice Ih and water: a path integral study
本文用路径积分分子动力学模拟研究了常压下冰和水的氢和氧核的动能。通过使用q-TIP 4P/F模型进行模拟，该模型是一种点电荷经验势，包括水分子OH伸缩中的分子柔性和非谐性。冰Ih在210-290 K之间的温度范围内进行了研究，水在230-320 K之间。在210-320 K温度范围内对孤立水分子进行了模拟，以估计分子内振动模式对动能的贡献。我们的结果质子动能，K_H，在水和冰Ih的协议和差异与不同的出版数据的基础上深非弹性中子散射实验。在实验熔点和290-300 K范围内发现水的协议。这是因为散射实验的数据预测水中的K_H在270 K和277 K附近有两个极大值，而在269 K时冰中的K_H比水中的K_H低。作为一个检查的有效性所采用的水的潜力，我们表明，我们的模拟是一致的与其他实验热力学性质有关的K_H，作为液体密度的温度依赖性，在恒定压力下的水和冰的热容量，和同位素位移的冰的熔化温度后，同位素取代的H或O原子。此外，用q-TIP 4P/F模型计算的冰Ih的KH随温度的变化关系与用从头算密度泛函理论计算的路径积分结果吻合较好.
2011-08-10 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Effects of surface interactions on heterogeneous ice nucleation for a monatomic water model
尽管它在大气科学中的重要性，仍有很多关于非均质冰成核的微观机制未知。在这项工作中，我们进行混合蒙特卡罗模拟的非均质成核的冰在一系列的通用表面，平面和结构，以探讨影响成核过程的基本因素。我们研究的结构化表面包括一个基面双层冰与不同的晶格参数和相互作用强度。我们表明，决定成核的倾向不仅是表面的吸引力，但也施加在表面附近的液态水的取向顺序。特别是，改变表面的吸引力和取向有序的比例可以改变成核发生的机制：即使当表面施加的取向有序很弱时，冰也可以在结构化表面上成核，因为与表面强烈相互作用的水分子本身就是进一步生长的良好模板。我们还表明，晶格匹配是重要的异质形核的结构化表面上，我们研究。我们合理化这些蛮力模拟结果，明确计算的界面自由能的冰和液态水接触的成核表面和它们的变化与表面相互作用参数。
2014-04-22 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Molecular dynamics of ice-active solutions at ice-water interfaces
本研究通过分子动力学模拟，探究了多种冰活性溶质对冰水界面及本体水结构、氢键动力学和摩擦系数的影响，发现离子溶质降低界面有序性，且仅DMSO和甲酸钠增加界面摩擦。
2025-08-05 cond-mat.soft physics.chem-ph
Electronic-mediated nuclear stopping power in proton irradiated water ice
传统上，人们认为快速离子穿过物质的停止可以用两个基本独立的成分来理解，即电子与核。执行广泛的Eklfest MD模拟的质子照射水冰的过程中，准确地描述不仅是非绝热动力学的电子，但也的核，我们已经发现了一个停止机制，涉及的电子和核子系统的相互作用。这种效应是由于辐射引起的电子密度扰动而导致的从抛射体到靶核的动能转移，它与核停止的原子位移和碰撞级联特性有根本的不同。此外，它显示出明显的同位素效应，这取决于目标的组成，主要与轻水相关，而不是重水。这一结果与长期存在的实验结果相一致，这些结果至今仍无法解释。
2023-03-23 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.med-ph
On Simulating the Proton-Irradiation of O$_2$ and H$_2$O Ices Using Astrochemical-type Models, with Implications for Bulk Reactivity
今天的许多天体化学模型明确地考虑了组成星际尘埃颗粒冰幔的大部分的物种，而不是那些在最上面的几个单层中的物种。用电离辐射轰击这些冰--无论是以宇宙射线、恒星风还是放射性核素的形式--代表了一种天体化学上可行的方法，可以在冰幔的大部分中驱动丰富的化学物质，现在实验室天体物理学的大量工作都支持这种方法。在这项研究中，使用现有的速率方程为基础的天体化学代码修改，包括考虑辐射化学的方法，我们最近开发的，我们试图模拟两个这样的研究，其中（a）纯O $_2$冰在5 K，（b）纯H $_2$ O冰在16 K和77 K，被轰击keV的H $^+$离子。我们的目标是双重的：（1）测试我们新开发的方法复制冰辐照实验结果的能力，（2）确定在这样一个约束良好的系统中，如何使用用于模拟星际介质（ISM）的相同气体颗粒代码来最好地处理体化学。我们发现，我们修改后的天体化学模型是能够再现的丰度O $_3$在5 K纯O $_2$冰，以及丰富的H $_2$ O $_2$在16 K水冰和先前注意到的过氧化氢在较高的温度下减少。然而，这些结果需要的假设，通过辐射分解产生的自由基和其他活性物质反应迅速，非扩散与邻居在冰。
2019-04-08 astro-ph.GA cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Phase equilibrium of liquid water and hexagonal ice from enhanced sampling molecular dynamics simulations
本文采用增强采样分子动力学模拟研究了由TIP 4P/Ice原子间相互作用势模型模拟的液态水和冰Ih之间的相平衡。我们的方法是基于计算冰Ih液体自由能的差异，可逆地访问两个阶段的模拟。通过引入静态偏置电位作为序参量的函数，实现了可逆的相互转换。调整序参量使氧在冰Ih中结晶为六方金刚石结构。我们分析了系统尺寸对冰Ih-液体自由能差的影响，并在热力学极限下得到了270 K的熔化温度。这一结果与热力学积分（272 K）和共存模拟（270 K）的估计一致。由于序参量不包括有关质子坐标的信息，自发形成的固体构型包含如冰Ih所预期的质子无序。
2020-05-11 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Momentum distribution, vibrational dynamics and the potential of mean force in ice
通过分析由路径积分和声子计算得到的动量分布，我们发现六边形冰中的质子经历了各向异性的准谐波有效势，具有三个不同的反映分子取向的主频。由于各向异性的重要性，不能从现有的实验分布，涉及球面平均提取的环境的非谐特征。需要完整的方向分布，我们给出了这个量的理论预测，可以在未来的实验中验证。在准谐波背景下，质子的基态动力学的非谐性是实质性的，并具有量子起源，这一发现影响了几个光谱的解释。
2011-04-13 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph quant-ph
The phase diagram of ice Ih, II, and III: a quasi-harmonic study
冰Ih，II和III的相图研究了准谐波近似。这种方法的结果进行了比较，以前通过热力学积分使用路径积分和经典模拟，以及实验数据的相图。所研究的模型是基于水分子的柔性（q-TIP 4P/F）和刚性（TIP 4P/2005，TIP 4PQ/2005）描述。模拟相图的许多方面是合理地再现准谐波近似。这种简单的方法的优点是，它是免费的计算机模拟固有的统计误差，经典和量子极限都很容易访问，和近似的误差预计将减少在零温度极限。我们发现，冰Ih，II和III的计算相图强烈依赖于冰III的氢无序，至少对于相共存模拟中通常使用的细胞大小。冰II（在经典极限）或冰III（在量子极限）可能变得不稳定，这取决于冰III中的质子无序。量子极限和经典极限的比较表明，冰II的稳定化是相图中最重要的量子效应。与冰Ih或III相比，冰II的振动零点能较低，这是这种稳定的微观起源。进行平均的晶格能超过冰III的质子无序的必要性进行了讨论。
2012-10-15 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Isotopic Fingerprints of Proton-mediated Dielectric Relaxation in Solid and Liquid Water
Austrian Institute of Technology（奥地利技术研究所）；Israel Institute of Technology（以色列理工学院）；University of Washington（华盛顿大学）；École Polytechnique Fédérale de Lausanne（洛桑联邦理工学院）；Hamburg University of Technology（汉堡工业大学）
研究通过交叉验证测量了冰和水四种同位素在1-10^5 Hz区域的介电弛豫同位素效应，发现H2O/D2O弛豫率比恒定，支持经典质子转移理论而非分子重取向。
2025-09-11 cond-mat.soft physics.chem-ph
Long-timescale simulations of H$_2$O admolecule diffusion on Ice Ih(0001) surfaces
采用自适应动力学Monte Carlo方法和TIP 4 P/2005 f相互作用势函数，对H $_2$ O分子在冰（0001）基面Ih上的扩散过程进行了长时间模拟.悬挂的H原子的排列从质子无序表面变化到完全有序的Fletcher表面。大量的各种各样的网站被发现导致广泛的分布在两种类型的表面的吸附能。高达4%的质子无序表面上的网站具有超过冰Ih的内聚能的吸附能。在175 K的质子无序表面的模拟轨迹的均方位移给出了6 $\cdot$ 10 $^{-10}$ cm $^2$ /s的扩散常数，与先前从实验测量报告的上限一致。在模拟过程中，悬空H原子被发现重新排列，以减少集群，从而接近线性弗莱彻型排列。在完全有序的Fletcher表面上的扩散估计要快得多，特别是在沿着悬挂的氢原子的方向上。从模拟的温度范围内，扩散的有效激活能估计为0.16 eV和0.22 eV的平行和垂直于行的扩散，分别。甚至弗莱彻表面的行的轻微中断使扩散各向同性。
2015-05-27 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Dielectric Anomaly in Ice near 20 K; Evidence of Macroscopic Quantum Phenomena
水是维持生命所需的最重要的物质之一，但人们对它的基态知之甚少。在这里，一个以前未识别的异常被确定在相对于温度接近20 K的介电常数的虚部中的最小值的形式，而实部保持单调。等温色散和吸收测量结果一致。对于重冰（D2O）的情况，没有发现任何异常，证实了明显的同位素效应。质子的协同量子隧穿被认为是报告异常背后的主要原因。我们的研究结果确定了另一个系统，表现出宏观量子现象，这在自然界中很少发生。
2015-08-02 cond-mat.other physics.chem-ph quant-ph
