Dynamics and Infrared Spectroscopy of the Protonated Water Dimer
通过全量子模拟报道了质子化水二聚体的动力学和红外吸收光谱。强耦合之间的光谱活跃的质子转移运动和低频，大振幅的扭转模式被清楚地确定，并解释它们在集群动力学的作用。这些耦合导致了1000 cm-1附近的特征双峰，这一点尚未被理解，也是争论的主题。这一光谱特征是再现，分配和解释。
2007-08-05 physics.atm-clus physics.chem-ph
Infrared and NMR Spectroscopic Fingerprints of the Asymmetric H7+O3 Complex in Solution
在1000-3700 cm-1范围内的红外（IR）吸收和1H NMR光谱表明在乙腈中存在不对称质子化水三聚体H7+O3。核心H7+O3基序在乙腈中以较大的质子化水簇存在，最多可达至少8个水分子。量子力学/分子力学（QM/MM）分子动力学（MD）模拟揭示了不对称H7+O3结构在溶液中的传播促进了质子的不可逆输运。QM/MM计算允许成功模拟的测量的红外吸收光谱的H7+O3在OH拉伸区域，这重申了分配的H7+O3光谱的混合复杂的结构：质子化的水二聚体强烈氢键结合到第三个水分子与质子交换之间的两个可能的共享质子Zundel-样中心。H7+O3结构有助于在甚至一个额外的水分子存在下促进不可逆的质子传输。我们展示了如何不断发展的H7+O3结构可以支持质子运输较大的水溶剂化物。
2021-08-25 physics.chem-ph
Sub-percent accuracy for the intensity of a near infrared water line at 10670 cm$^{-1}$: experiment and analysis
用三种不同的赫里奥特吸收池测量了（201）3 $_{22}$-（000）2 $_{21}$在10670.1 \cm的近红外水吸收线的强度。这些测量采用了新的几何推导的光程公式，无需近似，测定谱线强度的标准偏差小于0.3~ 1%。与以前的{ \it ab initio}预测相比，该测定与当前接受的值一起导致实验评估的谱线强度的0.7~ 1%的总体不确定性。结果表明，在理论研究中所采用的偶极矩面（DMS）和势能面（PES）的不断改进，使得系统与观测的一致性更好，最近的预测与实验的一致性更好。
2022-04-12 physics.chem-ph
Contact Ion Pairs of Phosphate Groups in Water -- Two-Dimensional Infrared Spectroscopy of Dimethyl-Phosphate and Ab-Initio Simulations
磷酸基团与离子在水环境中的相互作用对DNA和RNA的结构和折叠过程具有强烈的影响。离子排列的动态变化，包括接触对和水分离离子，以及分子耦合机制还远未被理解。我们采用实验和理论相结合的方法，研究了磷酸二甲酯原型系统与水中Na $^+$、Ca $^{2+}$和Mg $^{2+}$离子的接触离子对的性质。非对称（PO $_2$）$^-$伸缩振动的线性和飞秒二维红外（2D-IR）光谱通过它们的蓝移振动特征和2D-IR线型分离和表征不同的物种。磷酸盐-镁接触对突出为最紧凑的几何形状，而具有Ca $^{2+}$和Na $^+$的接触对显示出更宽的结构变化。微观密度泛函理论模拟合理化观察到的频率偏移，并揭示接触几何形状之间的明显差异。
2019-09-28 physics.chem-ph
Infrared absorbing electron in ice-Ih is trapped by a water vacancy
极性液体和玻璃的电离通常会产生亚稳电子中心，统称为弱束缚电子（weakly bond electron），它们吸收到溶剂化/俘获电子的基态的红光，这些物质的形成被认为是电子在这种介质中局域化的初始阶段。虽然这些常见的物种具有独特的吸收光谱，但目前还没有对其结构的深入了解。本文采用混合量子经典（MQC）浮动高斯轨道集（FSGO）- Metropolis Monte Carlo（MC）方法和嵌入式团簇密度泛函理论（DFT）后处理相结合的方法，从理论上研究了低温冰Ih中电子的结构.与观测到的冰中的π电子的性质的比较表明，这个物种是一个s-样的波函数填充水的空缺。
2007-03-24 physics.chem-ph
Two-dimensional infrared-Raman spectroscopy as a probe of water's tetrahedrality
本研究利用平衡—非平衡分子动力学与光谱分解，揭示液态水四面体序与二维IIR光谱的关联，并解释振动模式非谐耦合特征的温度依赖。
2023-04-20 cond-mat.soft physics.chem-ph
First-principles study of the infrared spectrum in liquid water from a systematically improved description of H-bond network
一个精确的液态水氢键结构的从头算理论需要一个高水平的交换相关近似的密度泛函理论。基于最大定域Wannier函数为基础的从头计算分子动力学模型，研究了正则系综中水的红外光谱.特别是，我们采用的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）功能内的广义梯度近似（GGA）和国家的最先进的元GGA水平近似提供的强约束和适当规范（SCAN）功能。我们证明，SCAN功能不仅改善了水的结构，而且还改善了水的理论红外光谱。我们的分析表明，在拉伸和弯曲带的改善，可以主要归因于更好地描述方向氢键和共价在分子间和分子内水平，分别。另一方面，更好的协议，在振动和受阻的平移带是由于改进的动力学的氢键网络，使一个结构较少的液体在实验方向。由SCAN预测的光谱显示出更好的协议与实验数据比常规广泛采用的PBE功能在GGA水平。
2019-09-23 physics.chem-ph physics.comp-ph
Revealing excess protons in the infrared spectrum of liquid water
Skolkovo Institute of Science and Technology（斯科尔科沃科学技术研究所）；Universität Stuttgart（斯图加特大学）
研究通过光谱权重分析，揭示液态水中短寿命离子在红外光谱中的指纹，发现质子过剩现象，表明液态水在飞秒化学中具有有效离子液特性。
2020-07-09 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
State-resolved infrared spectrum of the protonated water dimer: Revisiting the characteristic proton transfer doublet peak
质子化水分子团簇的红外（IR）光谱对水合质子的动力学和结构的精确信息进行了编码。然而，这些难以捉摸的物种的强非谐耦合和量子效应至今仍令人困惑。在这里，我们报告明确的证据表明，质子转移和水摇摆运动之间的相互作用的质子化水二聚体（Zundel离子）引起的特征双峰是更复杂和更敏感的微妙的能量变化比以前认为的。特别是，迄今被忽视的低强度卫星峰的实验光谱，现在被揭开和机械分配。我们的研究结果依赖于使用两个高度精确的势能面结合高度精确的状态分辨量子模拟获得的红外光谱的比较。我们表明，这些高精度的模拟是重要的，提供明确的分配的复杂的红外信号的fluxional分子。
2022-09-05 physics.atm-clus physics.chem-ph physics.comp-ph
Time-dependent friction effects on vibrational infrared frequencies and line shapes of liquid water
从液态水的从头算模拟出发，提取了OH伸缩振动和HOH弯曲振动的含时摩擦函数和时均非线性有效键势。所获得的摩擦表现出绝热的贡献和低于振动的时间尺度，但也慢得多的非绝热的贡献，反映均匀和不均匀的线加宽机制，分别。与气相相比，水合软化拉伸和弯曲电位，这本身将导致相应的振动带的红移。相反，非绝热摩擦贡献导致光谱蓝移。对于拉伸模式，势效应占主导地位，因此当从气相到液相时产生显著的红移。对于弯曲模式，潜在的和非绝热摩擦效应是相当的幅度，使一个轻微的蓝移的结果，与众所周知的，但令人费解的实验结果。所观察到的线加宽示出大致相等的绝热和非绝热摩擦的贡献，在液态水的拉伸和弯曲模式。因此，红外振动频率和线的形状的理解是相当先进的定量分析的时间依赖性的摩擦，在液体中的振动模式的作用。
2022-01-05 physics.chem-ph
Micro-solvation of CO in water: Infrared spectra and structural calculations for (D$_2$O)$_2$-CO and (D$_2$O)$_3$-CO
在C-O伸缩基区（~2150 cm-1）观察到弱束缚的分子团簇（D_2O）_2-CO和（D_2O）_3-CO，它们的转动分辨红外光谱得到了精确的转动参数。也观察到相应的H2O团簇，但它们的谱带因预解离而变宽，无法进行详细分析。由于转动参数本身不足以确定团簇的结构，因此采用从头计算，对于最稳定的团簇异构体，发现实验和理论之间有很好的一致性，得到了团簇的基本几何构型，并确认了对（D_2O）_2-CO和（D_2O）_3-CO的归属。具有近平面的几何形状，其中每个D2 O中的一个D原子略微离开平面。四聚体（D2 O）3-CO的水分子排列在类似于水三聚体的环状准平面环中，一氧化碳位于环的“上方”，大致平行于其平面。隧道效应中观察到的自由水的二聚体和三聚体淬灭的存在下的CO。先前观察到的水-CO二聚体与三聚体和四聚体一起报告在这里代表的前三个步骤中的一氧化碳的溶剂化。
2019-11-16 physics.atm-clus physics.chem-ph
Isotope Effects in 2D correlation infrared Spectra of Water: HEOM Analysis of Molecular Dynamics-Based Machine Learning Models
Kyoto University（京都大学）
研究通过HEOM方法分析水和重水的二维光谱，揭示能量激发、弛豫及振动退相干的相互作用机制。
2026-03-18 physics.chem-ph
Infrared multiple-angle incidence resolution spectrometry for vapor-deposited amorphous water
红外多角度入射分辨光谱法（IR-MAIRS）是一种新近发展起来的光谱技术，它结合了斜入射透射测量和化学计量学（多变量分析），可获得薄样品的纯面内（IP）和面外（OP）振动光谱。IR-MAIRS是为了分析大气压下有机薄膜的分子取向而建立的，但它也应该对真空中制备的气相沉积薄样品的结构表征具有强大的作用。IR-MAIRS对气相沉积无定形水的应用在物理和星际化学领域特别有趣，因为它是星际冰尘埃颗粒的代表性模型材料。我们最近开发了一种实验装置，在低温，超高真空条件下，原位IR-MAIRS，从而有利于星际冰类似物，如气相沉积的无定形水的测量。本文综述了IR-MAIRS的理论框架和我们最近对气相沉积无定形水的实验结果。我们目前的光谱签名为三配位的水分子在90 K的无定形水表面的悬挂OH键的垂直取向。定量测量了三配位悬挂OH键的绝对吸收截面。由于IR-MAIRS基本上可以只使用傅里叶变换红外光谱仪和角度可控的线性偏振器进行，它是一种有用的，低成本的，简单的光谱技术，用于研究实验室类似物的星际冰，包括气相沉积的无定形水。
2022-05-29 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.IM
Unveiling the Surface Structure of Amorphous Solid Water via Selective Infrared Irradiation of OH Stretching Modes
在探索生命的形成过程中，非晶态固体水（ASW）是研究最广泛的分子系统之一。事实上，ASW在冷星际介质（ISM）中无处不在，ASW涂层的尘埃颗粒为固相化学提供了催化表面，并且被认为存在于地球大气层的高海拔地区。已经表明，冰表面吸附诸如CO、N $_2$或CH $_4$的小分子，最可能是在表面悬挂的OH基团上。我们的研究提出了全新的见解ASW的行为后，选择性红外（IR）照射其悬挂模式。当照射时，这些表面H $_2$ O分子重组，主要在冰表面上形成稳定的单体状水模式。我们表明，我们系统地挑起“烧孔”效应（或净损失的振荡器）在照射波长和再生相同的吸收水单体的ASW表面上。我们的研究表明，所有悬挂模式共享一个共同的振动弛豫通道;冰保持无定形，但结合位点的范围减少，从而改变了催化能力。
2014-02-14 astro-ph.SR cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Exploring the Absorption Spectrum of Simulated Water from MHz to the Infrared
利用经典和密度泛函理论动力学模拟数据计算了300 K下液态水的吸收光谱，计算范围从1 MHz到几百THz，在整个范围内，包括红外模式、微波峰和中间THz波段，与实验数据定性和定量吻合良好.光谱被分解成单分子和集体组件，以及由于分子重新取向和诱导分子内偶极矩的变化的组件。这些分解揭示了新的光在20和5太赫兹的librational和平移（氢键拉伸）带的运动基础上：供体质子和受体孤对电子之间的相互作用被证明是重要的线的形状在librational和平移制度，和在和出的相librational二聚体模式进行观察和探索。
2020-03-16 physics.chem-ph physics.comp-ph
Time dependent FTIR spectra of mineral waters after contact with air
分析了Slavyanovskaya、Aqua Montana、Bad Harzburger和Christinen的矿水的FTIR光谱，从水首次与露天接触开始。测量了Slavyanovskaya矿水在拉伸、变形和分子间振动区域的光谱变化动力学。光谱变化与矿水的化学污染和脱气过程无关。观察到的光谱变化可能是由于液态矿水的结构不同，在空气接触后被破坏。观察到的Slavyanovskaya的光谱行为与矿水的催化活性相关，该矿泉水是在不与空气接触的情况下保存的。光谱依赖性的特征时间（669秒）与空气接触时矿水的催化活性损失的特征时间（600秒）接近。光谱分析结果支持了医学上关于矿水在接近泉水时具有活性，以及长期贮存后水活性降低的研究。
2010-08-28 physics.chem-ph
Infrared spectra of solid indene pure and in water ice. Implications for observed IR absorptions in TMC-1
本文首次报道茚非晶与晶相的红外光谱及谱带强度，结合 DFT 计算完成谱带归属，并据此估算 TMC-1 冰幔中茚的柱密度及其对 3.3 微米吸收特征的贡献。
2023-07-05 astro-ph.IM physics.chem-ph
Infrared resonant vibrationally induced restructuring of amorphous solid water
非晶态固体水（ASW）大量存在于星际介质中，它在星际尘埃颗粒上形成地幔，是彗星冰的前体。在太空中，ASW充当星际表面化学的基质，导致复杂的分子，并被认为在质子转移反应中发挥关键作用。虽然ASW被广泛研究，并且通常通过不同的技术得到很好的表征，但是在这些材料中能量诱导的结构变化，例如离子、电子和光子照射，还不太清楚。特定红外（IR）振动模式的选择性泵浦可以帮助理解振动在氢键网络重构中的作用。在这里，我们提出的第一个实验结果在ASW引起的强烈的，近单色的中红外自由电子激光（FEL）辐射的FELIX-2光束线在FELIX实验室在荷兰奈梅亨的Radboud大学。通过反射-吸收红外光谱法监测变化。在共振辐照下，观察到ASW的红外吸收带分布的修改与生长的类晶体的贡献和减少的非晶的贡献。这种现象在自由电子激光辐照的几分钟内就饱和了，使94%以上的辐照过的冰发生了变化。进一步分析了氢键供体和受体的影响，并与分子动力学模拟在分子水平上约束的效果的实验是互补的。
2020-09-02 astro-ph.EP astro-ph.GA cond-mat.mtrl-sci
The water-carbon monoxide dimer: new infrared spectra, ab initio rovibrational energy level calculations, and an interesting intermolecular mode
本文报道了用高能级分子间势面计算H_2 O-CO和D_2 O-CO的振转能级的结果，它们预言H_2 O-CO（D_2 O-CO）的K = 1基态能级位于K = 0之上约20（12）cm ~（-1），与过去的实验符合得很好。但是，在这两种情况下，第一激发K = 1能级预计都比对应的K = 0能级低约3 cm-1。强度计算还表明，从K = 0基态到这个看似异常的激发K = 1状态的中红外跃迁应该是可观察的。这些预测是惊人的验证新的光谱测量覆盖C-O拉伸区域约2200 cm-1的H2O-CO，D2 O-CO，和HOD-CO，和O-D拉伸区域约2700 cm-1的D2 O-CO，HOD-CO，和DOH-CO。实验探测脉冲超音速狭缝射流膨胀使用可调谐红外量子级联激光器或光学参量振荡器源。在O-D拉伸区域的离散微扰给出了一个实验下限约340 cm-1的D2 O-CO，相比，我们计算的结合能为368 cm-1。波函数图有助于理解H2O-CO的分子间动力学。Coriolis相互作用被调用来解释看似异常的第一激发K = 1能级的能量。
2019-05-26 physics.atm-clus physics.chem-ph
Temperature dependent network stability in simple alcohols and pure water: the evolution of Laplace spectra
一些计算机生成的水，甲醇和乙醇的模型被认为是在室温和环境压力下，也作为温度的函数（水和乙醇），和潜在的模型（仅水）。确定拉普拉斯矩阵，并计算其各种特性，如本征值和本征向量，以及相应的拉普拉斯谱。揭示了氢键网络的拉普拉斯矩阵中的谱隙宽度如何可以用于表征网络的稳定性。本文还介绍了一种新的检测方法，用于检测这些系统中的存在性接入网络。
2018-03-18 physics.chem-ph
Magnesium Contact Ions Stabilize the Tertiary Structure of Transfer RNA: Electrostatics Mapped by Two-Dimensional Infrared Spectra and Theoretical Simulations
与水合RNA相互作用的离子在定义其二级和三级结构方面发挥着核心作用。虽然离子、水分子和磷酸基团的空间排列已经从X射线研究中推断出来，但静电和其他非共价相互作用在稳定紧凑折叠RNA结构中的作用在分子水平上还没有完全理解。在这里，我们表明，镁（Mg 2+）和磷酸盐基团嵌入在当地的水壳接触离子对稳定的三级平衡结构的转移RNA（tRNA）。采用透析tRNAPhe从酵母和tRNA从大肠杆菌，我们遵循的人口Mg 2+网站接近磷酸基团的核糖磷酸二酯骨架一步一步，结合线性和非线性红外光谱的磷酸振动与分子动力学模拟和从头算振动频率计算。每个tRNA形成多达6个Mg 2 +/磷酸盐接触对和局部场诱导的水分子重新取向平衡了tRNA非螺旋部分的磷酸盐-磷酸盐排斥，从而静电稳定了折叠结构。这样的几何结构显示出水分子排列中有限的亚皮秒波动和离子停留时间长于1 μs。在较高的Mg 2+过量，每个tRNA的接触离子对的数量饱和约6和弱相互作用的离子占上风。我们的研究结果表明，在定义和稳定的tRNA的三级结构的离子气氛和生物分子的远程耦合的接触离子对的优势。
2021-08-25 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Beyond the Electric Dipole Approximation: Electric and Magnetic Multipole Contributions Reveal Biaxial Water Structure from SFG Spectra at the Air-Water Interface
Freie Universität Berlin（柏林自由大学）
本研究通过引入基于模拟的框架，揭示了空气-水界面水结构的双轴有序，利用多极贡献的定量分析改进了SFG光谱的解释。
2026-01-14 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Role of quantum nuclei and local fields in the x-ray absorption spectra of water and ice
我们计算的X射线吸收光谱的液态水在环境条件下和六角形冰接近融化，使用静态GW的方法，包括近似本地场效应。考虑到原子核的量子动力学的平均吸收截面的路径积分模拟产生的分子配置。我们发现，包括量子无序是必不可少的，使计算的光谱与实验密切一致。特别是，强度的前边缘功能，断裂和扭曲的氢键的光谱签名，准确地再现，在水和冰，只有当量子核被认为是。局部场的影响不太重要，但不可忽略，特别是在冰中。
2012-04-01 cond-mat.dis-nn physics.chem-ph
Microscopic Structure and Dynamics of Interfacial Water at Fluorinated vs Nonfluorinated Surfaces -- Insights from Ab-Initio Simulations and IR Spectroscopy
Freie Universität Berlin（柏林自由大学）
研究通过从头计算模拟和红外光谱分析氟化与非氟化表面界面水结构，发现两者均与空气-水界面相似，但氟化表面水分子重取向动力学更慢，挑战了传统振动史塔克效应解释。
2026-04-03 cond-mat.mtrl-sci 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
Efficient "on-the-fly" calculation of Raman spectra from \textit{ab-initio} molecular dynamics: Application to hydrophobic/hydrophilic solutes in bulk water
University of Paderborn（帕德博恩大学）
本研究提出一种从第一性原理出发的拉曼光谱高效计算方法，效率较现有方法提升至少一个数量级，可结合从头算分子动力学模拟实时计算有限温度拉曼光谱，并通过研究水溶液中疏/亲水溶质对光谱的影响验证了其预测能力。
2015-04-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.bio-ph
