The quest for self-consistency in hydrogen-bond definitions
在过去的几十年中，通过经典的计算机模拟，提出了几个氢键的定义。为了验证它们在广泛条件下的自洽性，本文对温度范围从220 K到400 K的六种最常见的氢键定义和六种经典的水模型进行了比较研究。我们的研究结果表明，在调查的温度区间，一般弱的定义之间的协议。此外，基于几何的定义的截止选择取决于温度和水模型。因此，分析不同温度下的相同水模型以及相同温度下的不同水模型将需要开发特定的截止值。有趣的是，发现两个氢键的定义，最近推出，以改善更传统的方法之间存在很大的差异。我们的研究结果预计，一个更普遍的方式来表征氢键在经典的分子系统是必要的。
2013-08-23 physics.chem-ph
Elucidating the Nature of $π$-hydrogen Bonding in Liquid Water and Ammonia
本研究通过机器学习势增强的从头算路径积分分子动力学模拟，阐明了液态水和氨中苯周围π-氢键的结构、动力学及光谱特征，并揭示了水中特有的反协同效应，为经验力场描述提供了参考。
2024-03-19 physics.chem-ph
Quantum delocalization of protons in the hydrogen bond network of an enzyme active site
酶利用蛋白质结构来创建高度专业化的结构基序，可以大大提高复杂化学转化的速率。在这里，我们使用的实验，结合从头算模拟，完全包括核量子效应，表明一个三联体的强氢键酪氨酸残基内的活性位点的酶甾酮异构酶（KSI）促进量子质子离域。这种离域显着稳定的活性位点酪氨酸残基的去质子化，导致在其酸性非常大的同位素效应。当中间类似物对接时，其被并入氢键网络中，从而在活性位点中产生扩展的量子质子离域。这些结果揭示了核量子效应在稳定KSI活性中间体的氢键网络中的作用，以及质子在含有强氢键的生物系统中的行为。
2015-01-01 physics.chem-ph
Effect of Substitution Group on Intramolecular Hydrogen Bond of Amino Alcohols from Raman spectroscopy
本研究利用拉曼光谱和理论计算探讨N端取代基对氨基醇分子内氢键的影响，发现供电子基团取代能增强氢键并增加构象比例，为调控氢键强度和CO2捕获策略提供新见解。
2024-03-21 physics.chem-ph
Performance of a Nonempirical Density Functional on Molecules and Hydrogen-Bonded Complexes
最近，Tao和Mo（TM）基于模型交换关联空穴导出了一个亚广义梯度近似泛函。在这项工作中，该功能的性能进行评估的标准测试集，使用6-311++G（3df，3 pd）基组。这些测试集包括223个G3/99形成的势能、99个原子化能、76个势垒高度、58个电子亲合能、8个质子亲合能、96个键长、82个谐波振动频率、10个氢键分子复合物和22个原子激发能。我们的计算表明，TM功能可以实现高精度的大多数性能考虑，相对于LSDA，PBE，和TPSS泛函。特别是，它产生的质子亲和力，谐波振动频率，氢键离解能和键长，原子激发能的最佳精度。
2016-12-16 physics.chem-ph
Indirect Interactions Between Proton Donors Separated by Several Hydrogen Bonds
我们扩大了我们最近提出的质子传导机制的定义，包装酸机制，这发生在条件下的集中质子供体。最初的定义指出，只有当质子供体之间直接形成氢键时，才发生酸-酸相互作用，这有助于克服速率决定步骤的障碍。在这里，它表明，质子供体可以相互作用，即使当供体通过几个H-键分离。这些相互作用对质子扩散系数的影响是由从头计算证实。
2016-10-23 physics.chem-ph
Quantum Nature of the Hydrogen Bond from Ambient Conditions down to Ultra-low Temperatures
许多实验技术，如标记光解离和氦纳米液滴分离光谱操作在非常低的温度下，以研究氢键。为了阐明这种超冷和通常的环境条件之间的差异，不同的氢键系统进行了系统的研究，从300 K到约1 K，使用路径积分模拟，明确考虑两个，原子核和热波动的量子性质。为了这个目的，有限大小的水簇，特别是水二聚体和六聚体，质子化水簇，包括Zundel和本征络合物，以及作为凝聚相代表的六方冰直接作为温度的函数进行比较。而较弱的氢键，目前在中性系统中，显示出明显的结构差异之间的环境条件和超冷制度，较强的氢键的质子化的水簇相比，它们的量子基态受温度的扰动。在所有研究的系统中，发现原子核的量子离域随温度变化剧烈。有趣的是，当达到约1 K的温度时，对于相对较弱的空间约束，重氧的空间量子离域接近质子的空间量子离域，并且在Zundel络合物中的中心氢键的情况下甚至显著超过后者。这些发现与在超冷与环境条件下进行的氢键实验之间的比较有关，并且通过将我们对非共价相互作用的见解无缝扩展到超低温来理解原子核的量子离域现象。
2019-11-21 physics.chem-ph
Nature of Hydrogen Bond in Water
本工作致力于研究氢键的物理性质。氢键势$Φ_{H} (r,Ω)$作为水分子相互作用能的不可约部分进行了研究。它被定义为广义Stillinger-David势与色散势和多极相互作用势之和的差。$Φ_{H} (r,Ω)$对分子间电位的相对贡献不超过（10 \div 15）%。
2012-02-14 physics.chem-ph
Review: Multifield mediation of the hydrogen-bonding network and properties of the deionized water and the monovalent Lewis-Hofmeister solutions
通过酸、碱、盐和有机分子溶剂化的阴离子、阳离子、电子、孤对电子、质子和分子偶极的电荷注入通过O：H形成、HH脆化、O：=：O压缩、静电极化、H2O偶极屏蔽和溶质/溶质相互作用介导O：HO键合网络和溶液的性质
2018-10-21 physics.chem-ph
Hydrogen bonds are of paramount importance in the chemistry of clays, mediating the interaction between the clay surface and water, and for some materials between separate layers. It is well-established that the accuracy of a computational model for clays depends on the level of theory at which the electronic structure is treated. However, for hydrogen-bonded systems the motion of light H nuclei on the electronic potential energy surface is often affected by quantum delocalization. Using path integral molecular dynamics, we show that nuclear quantum effects lead to a relatively small change in…
2021-12-23 physics.chem-ph
Acid Base Chemistry of Short Hydrogen Bonds: A Tale of Schrödinger's Cat in Glutamine-Derived Crystals
研究通过路径积分从头算分子动力学揭示，在L-谷氨酸衍生有机晶体的短氢键中，核量子效应消除经典势垒并使质子对称化，使供体和受体同时具备酸碱双重性质。
2025-08-11 physics.chem-ph
Evolution of the hydrogen-bonded network in methanol-water mixtures upon cooling
本文通过分子动力学模拟研究了甲醇-水混合物在冷却过程中氢键网络的结构演化，揭示了氢键数目、团簇拓扑及逾渗阈值随温度和浓度的变化规律。
2023-07-06 physics.chem-ph
Properties of Hydrogen Bonds in the Protic Ionic Liquid Ethylammonium Nitrate. DFT versus DFTB Molecular Dynamics
用密度泛函理论和密度泛函紧束缚方法对质子离子液体硝酸乙铵六聚体簇进行了比较分子动力学模拟.重点是评估DFTB方法的性能，以描述离子之间氢键的动力学和红外光谱特征。平均几何形状和几何相关性被发现是相当相似的。这同样适用于远红外光谱区域。差异更明显的NH-和CH-伸缩带，DFTB预测更广泛的强度分布。DFTB完全不能描述由硝酸根阴离子振动形成的指纹范围。最后，H-键内的电荷波动的特征在于产生适度的几何形状的依赖性。在此基础上，推荐用DFTB模拟这类离子液体的氢键性质。
2017-03-23 physics.chem-ph
Imaging Hydrogen Bond in Real Space
氢键通常被认为是缺电子氢原子和高电子密度区域之间的纯静电相互作用。本文首次利用双势垒模式下的共振隧穿效应，利用室温扫描隧道显微镜（STM）对实空间中的氢键进行了直接成像。STM观察表明，C=O：HO氢键在金属表面上的抬升高度为几埃，呈现梭形结构，在单个氢键的氧原子和氢原子连接方向上有明显的反差.峰的偏离中心位置和氢键出现高度随扫描偏压的变化表明，C=O：HO氢键中所涉及的氧原子和氢原子的电子轨道之间存在一定的杂化。
2013-02-27 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Imidazole and 1,2,3-triazole are promising hydrogen-bonded heterocycles that conduct protons via a structural mechanism and whose derivatives are present in systems ranging from biological proton channels to proton exchange membrane fuel cells. Here, we leverage multiple time-stepping to perform ab initio molecular dynamics of imidazole and 1,2,3-triazole at the nanosecond timescale. We show that despite the close structural similarities of these compounds, their proton diffusion constants vary by over an order of magnitude. Our simulations reveal the reasons for these differences in diffusion…
2021-10-26 physics.chem-ph
Hydrogen bonds and dynamics of liquid water and alcohols
使用修改后的Arrhenius近似，水，醇，和己烷结构重排反应的活化能负责其动态和介电特性的温度依赖性进行了测定。范德华力与水和醇分子的带电中心的相互作用调节分子的平移和旋转运动，确保液体局部结构变化的放热和吸热反应的热效应的协调和平衡。氢键的涨落偶极子的长程作用和它们被热能共振激发是水性质温度依赖性异常的基础，并在273 K和298 K点引发其相变。在273至298 K范围内，水分子动力学偏离Arabius和Stokes Einstein方程，这与水的类冰相集体动力学的高贡献有关，该水相由Ih冰的六角簇构成的氢键网络组成。
2020-11-02 physics.chem-ph
Hydrogen bonding and percolation in propan-2-ol -- water liquid mixtures: X-ray diffraction experiments and computer simulations
已经对丙-2-醇（a.k.a.异丙醇或2-丙醇），对于醇含量在10和90摩尔%之间，从室温下降到230 K。分子动力学模拟，通过使用全原子参数化的丙醇分子和著名的TIP 4P/2005水模型，能够提供半定量的描述所测量的总结构因子。与氢键有关的各种量，如氢键数，环状实体的尺寸分布和簇的尺寸分布，已确定从模拟获得的颗粒坐标。在室温下的渗滤阈值可以估计为异丙醇浓度为62和74摩尔%之间，而在非常低的温度下，计算得到的值高于90摩尔%。
2020-01-31 physics.chem-ph
Inverse Temperature Dependence of Nuclear Quantum Effects in DNA Base Pairs
尽管氢键具有固有的量子力学性质，但核量子效应（NQE）如何改变氢键的强度尚不清楚。考虑到这一点，我们使用从头算路径积分分子动力学来确定NQE的DNA碱基对复合物，可以说是最重要的氢键系统的结合的绝对贡献。我们发现，根据温度，NQE可以加强或削弱氢键复合物内的结合。作为有点违反直觉的结果，NQE在低温下对氢键强度的影响比在室温下小。我们合理化这在低频和高频振动模式之间的NQE的竞争。扩展这个想法，我们还提出了一个简单的模型来预测温度依赖性的NQE的氢键强度一般。
2016-11-18 physics.chem-ph
Quantifying hydrogen bonding using electrically tunable nanoconfined water
该研究提出将氢键视为电场中弹性偶极子的新方法，并以石膏中的二维结晶水为模型，仅凭伸缩振动频率量化氢键强度及相关性质，同时提出氢键异质结构新材料。
2025-02-21 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph
Self-Interaction Correction in Water-Ion Clusters
我们研究了自相互作用误差在密度泛函近似中对各种水离子团簇的重要性。本文采用Fermi-Löwdin轨道自相互作用修正（FLOSIC）方法，结合LSDA、PBE和SCAN计算了氢键水离子团簇、\textit{i.e.}、水离子团簇、水氢离子团簇、水氢氧化物团簇、水卤化物团簇以及非氢键水碱团簇的结合能。在氢键结合的水离子簇中，结构单元由氢原子连接，尽管这种连接比水分子之间的正常氢键更强和更长，因为离子上的电子与水分子上的永久和诱导偶极子相互作用。我们发现，自相互作用的错误overbind的氢键水离子簇和FLOSIC减少了错误，并带来了更紧密的协议与更高层次的计算结合能。非氢键的水-碱团簇不受自相互作用误差的显著影响。自相互作用校正PBE预测的最低平均无符号误差的结合能（$\leq$ 50毫电子伏/ \ce{H2O}）的氢键水离子簇。自相互作用误差在很大程度上也取决于集群的大小，并且FLOSIC不能准确地捕捉所有集群中的细微变化，这表明需要进一步改进。
2020-12-25 physics.chem-ph
Experimental Indication of Structural Heterogeneities in Fragile Hydrogen-bonded Liquids
我们提出了第一个实验表征分子易碎的玻璃形成的一个“prepeak，出现显着低于主峰的静态结构因子。这个预峰的温度和密度的依赖关系进行了研究，通过弹性中子散射实验在高压下（高达300 MPa），在间甲苯胺和间氟苯胺。预峰强度随温度的降低而增加，但随压力的增加而保持不变，而其位置和宽度大致保持不变。这些特征与观察到的网络玻璃的“第一尖锐衍射峰”相反。借助蒙特卡罗模拟分析了这一现象的根源。我们关联的prepeak氢键诱导的异质性（或集群），其有限的大小的结果从苯环之间的排斥效应，防止氢键网络的扩展。最后被认为是接近玻璃化转变的液体的动力学的影响。
1998-05-25 physics.chem-ph
Variations of the Hydrogen Bonding and of the Hydrogen Bonded Network in Ethanol-Water Mixtures on Cooling
广泛的分子动力学计算机模拟已经进行了乙醇-水液体混合物在富水侧的组成范围内，与10，20和30摩尔%的醇，在室温和给定的混合物的实验凝固点之间的温度。结合两种刚性水模型（SPC/E和TIP 4P/2005），对乙醇进行了全原子型（OPLS）原子间相互作用势假设。这两种组合都提供了在每个温度下的实验X射线总结构因子的良好再现;这为进一步的结构分析提供了强有力的基础。除了部分径向分布函数，氢键组装的各种描述符，以及氢键网络已被确定从模拟的粒子配置。一个明确的趋势是观察到，随着温度的降低，水分子参与氢键的比例增加，正好2供体和2受体网站。关于通过氢键结合在一起的较大组件，主要关注的是环状实体的性质：人们发现，类似于甲醇-水混合物，氢键环的数量随着温度的降低而增加。然而，对于乙醇-水混合物，可以观察到不是六重环而是五重环的优势。
2018-03-11 cond-mat.soft physics.chem-ph
Quantum Confinement in Hydrogen Bond
在这项工作中，量子限制效应被提出作为涉及氢键的分子基团的振动光谱的位移的原因。在这种方法中，氢键对氢施加了空间势垒并限制了其振荡运动。通过Morse势研究了大分子中NH和OH分子团在受限（形成氢键时）和非受限（不存在氢键时）情况下的振动跃迁。能量是通过变分法与超对称量子力学（SQM）的形式获得的试探波函数。结果表明，可以区分与氢键存在有关的发射峰。这些分析结果与红外光谱的实验结果进行了比较，结果令人满意。
2015-02-09 physics.chem-ph quant-ph
Hydrogen bonding characterization in water and small molecules
基于密度泛函理论，采用第一性原理计算研究了水二聚体中的氢键，质子化水二聚体中的氢键，其他小分子中的氢键，水环团簇中的氢键，以及冰中的氢键，涵盖了很宽的键强度范围.我们计算结构，能量，和静电（诱导分子偶极矩）属性。特别是，氢键的特点是在微分电子密度分布和配置文件，以及最大本地化的Wannier函数的中心的移位。来自后一个量的信息可以被传递到一个单一的几何键参数中，该几何键参数似乎与迈耶键序参量相关，并且可以被视为对氢键的共价贡献的估计。通过考虑环状水六聚体和冰的六方相，我们还阐明了氢键形成中合作/反合作效应的重要性。
2017-03-24 cond-mat.other physics.chem-ph
Revealing the multi-bonding state between hydrogen and graphene-supported Ti clusters
氢在石墨烯负载的金属簇上的吸附由于氢和金属簇之间的键合的复杂性质而引起了很多争议。实验和理论研究了氢和石墨烯负载钛团簇的键型。透射电子显微镜观察表明，在石墨烯上形成了纳米级的Ti团簇。热脱附光谱从氢化石墨烯支撑的Ti簇中捕获三个氢脱附峰。第一性原理计算还发现了三种类型的相互作用：两种类型的键具有不同的部分离子特性和物理吸附。其物理起源取决于Ti团簇的电荷状态：当Ti团簇是中性的时，H2解离，并且H与Ti团簇形成键。另一方面，H2以分子形式吸附在带正电荷的Ti簇上，导致物理吸附。因此，这项工作阐明了氢在石墨烯负载的钛簇上的成键机制。
2016-08-03 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph
Unravelling the influence of quantum proton delocalization on electronic charge transfer through the hydrogen bond
在形成氢键后，电子电荷密度在供体和受体之间转移，影响从水合到光谱的过程。在这里，我们使用从头算路径积分模拟，以阐明核量子效应在确定的范围内的氢键物种在气相和液相中的电荷转移的作用。我们表明，原子核的量子化会引起电荷转移幅度及其温度依赖性的巨大变化。然后，我们解释了如何一个单一的几何参数确定通过氢键的电荷转移。因此，这些结果表明，核量子效应是至关重要的电荷转移的准确描述，并提供了一个物理透明的方式来理解氢键如何引起它。
2018-11-27 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
The hydrogen bond is usually described within the clamped nucleus approximation in which electronic and vibrational motions are considered separately. This approach leads to a double-well potential which facilitates proton tunnelling. In this work, the hydrogen bond is described by a formalism based on the non-adiabatic Hamiltonian in which electronic and vibrational motions are coupled. Quasi-degeneracy associated with the hydrogen bond supports this approach which is shown to afford an alternative picture of proton tunnelling.
2021-12-07 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Mediation of hydrogen-bond coupling interactions by programmable heating and salting
结果表明，程序升温和盐化对O：H-O氢键的O：H和H-O伸缩声子的频移具有相同的影响，表明程序升温和盐化都使O：H键变长变软，而使H-O键变短变硬，这是由于相邻氧原子间电子对的库仑排斥作用减弱所致.理解为霍夫迈斯特系列提供了可能的机理和洗涤剂对织物的洗涤效果。
2013-10-03 cond-mat.soft physics.chem-ph
Covalent features in the hydrogen bond of a water dimer: molecular orbital analysis
Jilin University（吉林大学）；City University of Hong Kong（香港城市大学）；Beijing Computational Science Research Center（北京计算科学研究中心）
本研究通过密度泛函理论与post-Hartree-Fock方法，发现水二聚体氢键存在两个跨氧氢的成键分子轨道，结合能量分解分析证实其类共价特征，为水相关体系及生命科学的本质理解提供新依据。
2015-07-08 physics.atm-clus physics.chem-ph
Unified description of hydrogen bonding and of proton transfer by a two-state effective Hamiltonian
由于分子中H原子轨道与施主和受主原子轨道之间的量子力学相互作用，两个分子之间的氢键被认为是有效的哈密顿量。哈密顿量作用于两个非绝热态，并且其矩阵元具有简单的化学激发形式。该模型提供了洞察到“氢键之谜”，描述了不同类别的债券，和经验之间的相关性的供体-受体的距离R和结合能，键长，和软化的振动频率。一个关键的预测是UV光解的氢键复合物通过激发的电子态与提高振动频率。
2011-09-21 cond-mat.str-el physics.chem-ph
Simultaneous photon absorption as a probe of molecular interaction and hydrogen-bond correlation in liquids
我们研究了液体甲醇中相邻分子对近红外光子的同时吸收。两个OH-伸缩模式的同时吸收被发现发生在一个能量高于两个吸收模式的总和。该频移由模式之间的相互作用引起，并且其值已被用于确定相邻甲醇分子之间的平均耦合。我们发现的均方根耦合强度为46+/-1 cm-1，远远大于可以解释的过渡偶极耦合，这表明氢键介导的相邻分子之间的相互作用在液体甲醇中发挥了重要作用。同时振动吸收的最重要的方面是，它允许定量调查的氢键协同。我们推导出在何种程度上的氢键强度的相邻分子的相关性通过比较线的形状的吸收带所造成的同时吸收的基本过渡。令人惊讶的是，发现甲醇中相邻的氢键具有很强的相关性，从数据中我们获得了0.69+/-0.12的氢键相关系数。
2007-03-06 cond-mat.soft physics.chem-ph
Picosecond lifetimes of hydrogen bonds in the halide perovskite CH$_3$NH$_3$PbBr$_3$
本文通过机器学习力场分子动力学模拟，研究了CH$_3$NH$_3$PbBr$_3$中氢键在70 K至350 K范围内的动力学，发现氢键寿命随温度升高从7.6 ps降至0.16 ps并呈阿伦尼乌斯行为，同时揭示了氢键对振动态和物理性质的重要影响。
2024-07-03 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Conjugation in hydrogen-bonded systems
本文通过分析氟化氢、水和氨团簇的电子密度分布，揭示氢键体系中存在σ-与π-结合，并指出离域共轭π体系是决定团簇额外稳定性和协同现象的关键因素。
2012-04-02 physics.atm-clus physics.chem-ph
Crystal structures and proton dynamics in potassium and cesium hydrogen bistrifluoroacetate salts with strong symmetric hydrogen bonds
用单晶中子衍射技术测定了室温、20 K和14 K下双三氟乙酸钾和铯的晶体结构。晶体分别属于I2/a和A2/a单斜空间群，没有明显的相变。对于这两种晶体，三氟乙酸盐实体形成通过横跨反转中心的非常短的氢键连接的二聚体。任何质子无序或双最小势都可以被拒绝。重新分析了先前发表的[Fillaux和Tomkinson，Chem.Phys.158（1991）113]在500 ~ 1000 cm^{-1}之间OH伸缩区的非弹性中子散射谱线。最佳拟合电位具有马来酸氢钾已报道的主要特征[Fillaux等人，Chem.Phys.244（1999）387]。它由一个包含基态的窄阱和一个对应于氢键解离的浅上部组成。
2004-12-24 nlin.PS physics.chem-ph
Exactly solvable Schrödinger equation with double-well potential for hydrogen bond
我们构造了一个双势阱，通过将薛定谔方程简化为汇合Heun方程，可以精确求解该双势阱。因此，波函数通过汇合Heun函数表示。后者在{ \sl {Maple}}中制成表格，以便容易处理所得溶液。在最后一个区间的边界处，电势是无限的，这使得它非常适合于建模氢键（普通和低势垒的）。通过对$KHCO_3$分子中氢键的详细处理，验证了理论计算结果，并与文献实验数据进行了比较。
2017-03-23 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph
IR Spectrum of the O-H$...$O Hydrogen Bond of Phthalic Acid Monomethylester in Gas Phase and in CCl$_4$ Solution
用溶液中的五维气相模型和经典分子动力学模拟研究了标题化合物在氢键OH伸缩振动光谱范围内的吸收光谱。气相模型预测的费米共振之间的OH-伸缩的基本和第一OH-弯曲泛音过渡相当大的振子强度重新分布。在非绝热势能曲线模型中研究了氢键低频振动的非谐耦合导致的振动级数。偶极-偶极关联函数的凝聚相模拟结果在3000 \cm区域与实验数据吻合良好的宽带。此外，2600 \cm附近较弱的吸收特征已被确定为是由于氢在氢键内的运动。
2009-12-07 physics.chem-ph physics.comp-ph
Quantum Confinement in Hydrogen Bond of DNA and RNA
氢键是稳定DNA和RNA大分子的基本成分。这项工作的主要贡献是定量地描述这种相互作用的结果的量子限制的氢。自由和受限系统的结果与实验数据进行了比较。计算用于识别谱线的振动运动的能隙的形式主义是与超对称量子力学相关联的变分方法。
2015-02-09 physics.chem-ph quant-ph
A molecular equation of state for alcohols which includes steric hindrance in hydrogen bonding
在本文中，我们开发的第一个状态方程含醇的混合物，其中包括两个电子孤对氢键受体网站之间的空间位阻醇的羟基氧的影响。该理论是在Wertheim的多密度统计力学的二阶微扰理论中推导出的。新方法的准确性证明了应用到纯甲醇和乙醇和二元乙醇/水混合物。它表明，新的方法给出了一个实质性的改进，在预测的氢键结构的纯酒精和酒精/水的混合物相比，标准的一阶方法。
2018-10-01 cond-mat.soft physics.chem-ph
On the relation between hydrogen bonds, tetrahedral order and molecular mobility in model water
通过分子动力学模拟研究了氢键寿命、四面体有序度与模型水扩散系数之间的关系。我们测试了四种不同的模型：SPC/E，TIP 4P-Ew，TIP 5 P-Ew和六个站点，最后两个站点明确类似于水孤对。虽然所有的模型在环境条件下都表现得相当好，但它们的行为在低于270 K的温度下明显不同。显式孤对模型的氢键寿命、四面体有序度和扩散系数都比不显式孤对模型的长。
2013-07-13 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Probing defects and correlations in the hydrogen-bond network of ab initio water
水的氢键网络的特征在于相对于冰的理想四面体网络存在配位缺陷，其波动决定了液体的静态和时间依赖性。由于拓扑约束，这样的缺陷不是单独出现的，而是高度相关的，以过多的不同对出现。在这里，我们详细讨论了这种相关性的从头算水模型的情况下，并表明它们有有趣的相似之处，定期和有缺陷的水的固相。虽然缺陷相关性涉及偏离理想化的四面体，但它们仍然可以被视为保持高度方向性的较弱的氢键。我们还研究了如何的结构和人口的协调缺陷的影响近似原子间的潜力，发现在大多数情况下，的氢键网络的定性特征是非常强大的。
2016-02-10 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Weak hydrogen bonds, such as O-H$\cdotsπ$ and C-H$\cdots$O, are pivotal in a wide range of important natural and industrial processes including biochemical assembly, molecular recognition, and chemical selectivity. In this study we use neutron diffraction in conjunction with comprehensive H/D isotopic substitution to obtain a detailed spatial and orientational picture of the structure in benzene-methanol solution. This system provides us with a prototypical situation where the aromatic ring can act as an hydrogen bond acceptor (via the $π$ electron density) and/or a hydrogen bond donor (via th…
2022-12-20 cond-mat.soft physics.chem-ph
Hydrogen bond relaxation dynamics and the associated symmetric, volumetric, vibronic, and phase transitional anomalies of frozen H2O under compression
在“O ~ 2-：H ~+/p-O ~ 2-”氢键中，非均匀成键的“-”电子对和非成键的“：”电子对之间的库仑排斥作用导致了低压缩性、声子弛豫动力学、氢键中质子对称化以及冰在压缩下发生VIII-VII相变的临界温度的变化.压缩力、排斥力和电子对的不均匀结合强度的合力使较软的分子间“O ~（2-）：H ~+/p”非键孤对电子被高度压缩和硬化，而较硬的分子内“H ~+/p-O ~（2-）”键被拉长和软化。因此，较软的非键声子（< 400 cm-1）被硬化，而较硬的键声子（> 3000 cm-1）在压缩时被软化。非键压缩和真实键伸长导致O2--H+/p：O2-对称化和冰的低压缩性。研究结果应该成为揭示H2O在各种刺激下的物理异常的起点。
2011-10-12 cond-mat.other physics.chem-ph
Hydrogen bonding in water under extreme confinement
Stanford University（斯坦福大学）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；Brown University（布朗大学）；Vanderbilt University（范德堡大学）；University of Washington（华盛顿大学）；Pacific Northwest National Laboratory（太平洋西北国家实验室）；Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室）；SLAC National Laboratory（斯坦福直线加速器中心国家实验室）
本研究通过原位振动电子能损谱技术，在碳纳米管中直接观察水分子氢键，揭示了受限条件下氢键的量子动态特性及结构相变。
2025-12-22 physics.chem-ph physics.ins-det
Hiding in the crowd: Spectral signatures of overcoordinated hydrogen bond environments
具有过量氢键伙伴的分子在基本化学过程中起着至关重要的作用，从过冷水中的异常扩散到水质子缺陷的运输和疏水溶质周围水的有序化。在这里，我们表明，过协调的氢键环境可以识别在环境和过冷制度的液态水相结合的实验拉曼多变量曲线分辨率测量和机器学习加速量子模拟。特别是，我们发现，OH基团出现在光谱区域通常与非氢键物种实际上对应于氢键形成过协调的环境中。我们进一步表明，只有这些物种表现出人口的营业额作为温度的函数，这是强大的，并持续在恒定的压力和密度条件下。因此，这项工作提供了一个新的工具来识别，解释和阐明拥挤的氢键网络的光谱特征。
2019-06-21 cond-mat.other cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
QM/MM Simulation of the Hydrogen Bond Dynamics of an Adenine:Uracil Base Pair in Solution. Geometric Correlations and Infrared Spectrum
采用量子力学（QM，DFT）/分子动力学模拟（MM，分子动力学模拟）方法，对9-乙基-8-苯基腺嘌呤和1-环己基尿嘧啶在氘代氯仿溶液中的Watson-Crick碱基对进行了模拟.轨迹进行了分析，特别注意碱基对中的$\NHN$和$\NHO$氢键的几何相关性。此外，根据氢键键长和NH伸缩振动频率之间的经验关系，得到了NH伸缩振动频率沿轨道的涨落。利用与时间相关的频率，红外线的线形确定假设的有效性的二阶累积展开。与实验值相比，计算得到的基本跃迁频率的偏差小于2%。$\NHN$键的光谱宽度与实验结果基本一致，而$\NHO$键的光谱宽度被本模型低估。比较不同的赝势的性能，它被发现，Troullier-Martins赝势与70 Ry截止产生最好的协议。
2009-03-20 physics.bio-ph physics.chem-ph
Recognizing molecular patterns by machine learning: an agnostic structural definition of the hydrogen bond
化学键的概念最终可以被看作是在分子和固体中观察到的重复结构模式的合理化。化学直觉只不过是识别和预测这些模式的能力，以及它们如何相互转化。在这里，我们将讨论如何使用计算机来自动识别原子模式，从而提供一个算法定义的键的结构信息的基础上。我们特别关注氢键-这是我们理解水，生物系统和许多技术重要材料的物理化学的核心概念。由于氢键是一个有些模糊的实体，涵盖了广泛的能量和距离，许多不同的标准已被提出和使用多年来，根据电子结构计算，然后进行能量分解分析，或在某种程度上任意选择的一系列结构参数，被认为是对应于氢键的配置。我们在这里介绍一个定义，是单义的，无偏的，自适应的，基于我们的机器学习分析的原子模拟。我们提出的策略可以很容易地适应类似的情况，其中一个必须识别或分类的材料或化合物的结构模式。
2014-11-12 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Transformation of hydrogen bond network during the CO2 clathrate hydrate dissociation
本文研究了不同空穴占有率下二氧化碳CS-I水合物固-液一级相变-熔化的动力学过程。这项工作是在研究水分子局部结构的框架内完成的。其中包括在接近熔点的温度下短程有序随时间的变化以及与六方冰结构的比较。用分子动力学方法研究了体系的内能随加热时间的变化规律，发现在275-300 K范围内能的跃变表明发生了相变。氧-氧径向分布和氢-氧-氧相互取向角的研究在不超过3.2埃分离的分子之间允许找到所有分子的H-键配位数和全部H-键数，并显示所有分子的短程有序的瞬时（小于1纳秒）重组。对相邻水分子对的结构分析表明，熔融后氢键数目减少了约10-15个数量级，但所有水分子都形成了单一的长程氢键网络。氢键网络分析表明，在固液相变时氢键相互作用能变化不大。
2019-04-08 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Missing short-range interactions in the hydrogen bond of compressed ice
结合拉格朗日-拉普拉斯力学和已知的长度-刚度松弛动力学的压力依赖性，我们已经确定了关键的，但往往被忽视的，在压缩冰的氢键的短程相互作用。这种方法已经能够确定的力常数，内聚能，势能的vdW和共价链段在每个准平衡态，以及它们的压力依赖性。证明了电子对间库仑排斥和链段强度差异在确定不对称氢键弛豫动力学和冰的异常性质中的重要性，结果证实了压缩缩短和硬化OH键，同时延长和软化共价键。
2013-05-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.chem-ph
Liquid state of hydrogen bond network in ice
在这里，我们表明，违反Bernal-Fowler规则之间的库仑相互作用导致温度引起的逐步增加，其浓度由6-7个数量级。这种一级相变伴随着弛豫时间的可压缩的减少，并且可以被解释为氢键网络的熔化。在冰体中，氢晶格熔化而氧晶格残存的新相是不稳定的，氧空位和氧空位浓度的进一步急剧增加使冰体熔化。在熔化后立即断裂的氢键的分数约为它们总数的0.07，这意味着水中氧晶格的基本守恒。
2016-05-28 cond-mat.other cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Isotopic fractionation in proteins as a measure of hydrogen bond length
如果将含有强分子内氢键的氘代分子置于氢化溶剂中，则其可优先将氘交换为氢。这种偏好是由于氢和氘的振动零点能量之间的差异。结果表明，相关的分馏因子$Φ$与分子内氢键的强度有关。这种相关性已被用于确定各种酶中H-键的长度（供体-受体分离），并被认为支持短的低势垒H-键的存在。从一个势能面的基础上一个简单的非绝热状态模型的H-键，我们计算$Φ$作为质子供体-受体距离的函数$R$。对于数值结果，我们使用对称O-H模型的参数化。O债券。我们考虑了O-H伸缩振动、O-H弯曲振动（面内和面外）、有限温度下的隧道分裂效应和次级几何同位素效应的相对贡献。我们比较我们的总$Φ$作为$R$的函数与NMR实验结果的酶，特别是与经验参数化$Φ(R)$，以前用来确定键长。
2015-07-18 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph q-bio.BM
Spectroscopic Evidence for the Specific Na+ and K+ Interactions with the Hydrogen-bonded Water Molecules at the Electrolyte Aqueous Solution Surfaces
水分子在NaF和KF水溶液表面的和频振动光谱显示出明显不同的光谱特征和不同的浓度依赖性。这一结果是第一次直接观察到的简单的碱金属阳离子，这被认为是从水的表面耗尽，在电解质溶液表面的水分子的氢键结构的阳离子效应。这些观测结果为理解气/水界面离子的基本现象提供了重要线索。
2008-12-14 cond-mat.other physics.chem-ph
Simulating and investigating various dynamic aspects of the $\rm{H}_2\rm{O}$-related hydrogen bond model
本文提出改编自 Jaynes--Cummings 模型的 $\rm{H}_2\rm{O}$ 氢键模型，通过求解 Lindbladian 量子主方程研究其耗散动力学，发现耗散流入的变化显著影响氢键形成，为未来复杂化学与生物模型研究奠定基础。
2025-08-13 physics.chem-ph quant-ph
Interplay of hydrogen bonding and molecule-substrate interaction in self-assembled adlayer structures of a hydroxyphenyl-substituted porphyrin
通过扫描隧道显微镜研究了氢键有机纳米结构的形成以及衬底晶格的作用。5，10，15，20-四（对羟基苯基）卟啉（H2 THPP）分子在Au（111）表面的自组装导致了两种分子排列。其中之一的特征在于羟基之间的成对氢键和低堆积密度，这使得结构中的单个分子能够旋转。一个不同的相互作用与更强的链状氢键和额外的相互作用的苯基观察到的第二种结构。H2 THPP在Ag（110）衬底上的吸附证明了衬底对外延行为的影响。在Ag（110）上形成分子链，并组装成二维的不同尺寸的紧密堆积块的周期性排列，类似于Au（111）上发现的第二类超分子有序。色散校正的密度泛函理论计算被用来理解这些分子的吸附和复杂的外延。结果表明，鞍形形变分子的方位角取向不仅对分子间相互作用，而且对分子-基底相互作用都起着重要的作用。
2014-06-30 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
The experimental study of hydrogen bonds and their symmetrisation under extreme conditions is predominantly driven by diffraction methods, despite challenges of localising or probing the hydrogen subsystems directly. Until recently, H-bond symmetrisation has been addressed in terms of either nuclear quantum effects, spin crossovers or direct structural transitions; often leading to contradictory interpretations when combined. Here, we present high-resolution \textit{in-situ} $^1$H-NMR experiments in diamond anvil cells investigating a wide range of hydrogen bonded systems at pressure ranges of…
2022-01-17 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other physics.app-ph
