Oxygen Isotope Exchange Between Molten Silicate Spherules and Ambient Water Vapor with Nonzero Relative Velocity: Implication for Chondrule Formation Environment
该研究建立熔融硅酸盐球粒与相对运动环境水蒸气的氧同位素交换理论模型，发现新的质量相关分馏现象，据此推断球粒结晶时与环境蒸气的相对速度低于几百m/s，为揭示球粒形成环境提供新依据。
2023-06-26 astro-ph.EP cond-mat.soft physics.chem-ph
Quantum fluctuations and isotope effects in ab initio descriptions of water
核量子效应，如零点能和隧穿，会导致氢键系统（如液态水）的结构和动力学发生重大变化。然而，由于目前无法使用其电子结构的精确描述来模拟液态水，核和电子量子效应之间的相互作用仍然不清楚。在这里，我们使用的模拟，将原子核和电子的量子力学性质，以提供一个完全从头计算确定的粒子量子动能，自由能变化后，交换氢氘和同位素分馏比在水中。这些特性选择性地探测了核自由度的量子本质，使我们能够与最近的实验进行直接比较，并阐明电子交换和相关以及核量子涨落如何决定水中氢键的结构。
2014-06-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Ultrafast Liquid Water Transport Through Graphene-Based Nanochannels Measured by Isotope Labelling
石墨烯基层压材料，具有通过简单地将石墨烯薄片堆叠在一起形成的超长和曲折的纳米胶囊，在过滤和分离方面具有很大的前景。然而，液态水跨膜渗透的信息是缺乏的，这是最基本的问题，并在溶液为基础的质量传输至关重要。在这里，同位素标记的基础上，我们调查的液体水运输通过石墨烯基纳米胶囊在没有外部静水压力。液态水在石墨烯纳米通道中的扩散系数比在亚微米聚合物通道中的扩散系数大4~5个数量级。当将离子溶解在源中时，离子通过石墨烯通道的扩散系数与水处于相同的数量级，而离子扩散比水快，这表明离子主要通过快速水流传输，并且离子与纳米毛细管壁之间的微妙相互作用也在加速离子传输中起作用。
2015-02-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Anomalous quantum and isotope effects in water clusters: Physical phenomenon, model artifact, or bad approximation?
用自洽声子方法计算了水六聚体的几种异构体相对于“棱柱”异构体的自由能差$ΔF:=F-F_{\text{prism}}$。我们考虑由量$ΔF:=F-F({prism})$定义的同位素效应和量子效应$δF_{\hbar=0}:=ΔF_{\hbar=0}-ΔF_{\rm H_2O}$，并使用不同的柔性水模型来评估它们。虽然$δF_{D_2O}$和$δF_{\hbar=0}$都被发现是相当小的所有的潜力，他们是特别小的两个经验模型，q-TIP 4 P/F和TTM 3-F相比，q-SPC/Fw和两个{ \it abinitio}为基础的模型，WHBB和HBB 2-pol。这种定性的差异，在不同的水模型的属性不能被解释为一个是“更准确”比其他。我们推测所观察到的异常是否是由水系统的特殊性质引起的，或者是人工制品的势能面形式/参数化或所使用的数值近似。
2014-09-29 physics.atm-clus physics.chem-ph
Isotope-Selective Strong Field Ionization of Semi-Heavy Water
本研究以半重水（HOD）为对象，利用双飞秒强红外激光脉冲实现沿OH键的选择性隧穿电离，通过三重电离后离子动量的三维时间分辨测量验证了该同位素选择性强场电离效应。
2024-08-17 physics.atom-ph physics.chem-ph physics.optics
Hydrogen isotope separation using graphene-based membranes in liquid water
氢同位素分离已有效地实现使用气态H2/D2过滤通过石墨烯/Nafion复合膜。然而，氘核在自然界中几乎不以气态D2的形式存在，而是存在于液态水中。因此，从水中分离和富集氘是一种较为可行的方法。在此，我们成功地将单层石墨烯转移到刚性和多孔聚合物基底PITEM（聚酰亚胺跟踪膜）上，这可以避免Nafion基底的溶胀问题，以及保持石墨烯的完整性。同时，CVD石墨烯的大面积缺陷可以通过界面聚合成功修复，从而获得高的分离因子。此外，基于动力学同位素效应（KIE），提出了一种新的质子在单层石墨烯中传输机制的模型。在该模型中，石墨烯通过完全破坏O-H/O-D键，在H/D分离过程中发挥重要作用，使KIE最大化，从而促进H/D分离性能。这项工作提出了一个有前途的应用，使用单层石墨烯在工业中，并提出了一个明显的理解质子输运石墨烯
2022-12-26 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Anomalies in bulk supercooled water at negative pressure
水是最常见的液体，也可以说是最复杂的液体。几十年来，人们一直在测量过冷水的异常现象，并提出了相互竞争的解释。然而，决定性的实验仍然难以捉摸，因为不可避免的结晶成冰。我们研究了水的状态，即过冷和机械张力下，或负压。负压下的液体可以在植物或矿物中的流体包裹体中找到。利用石英中的这种水包裹体，我们首次测量了低至$-15^\circ\mathrm{C}$和$-100\,\mathrm{MPa}$左右的双亚稳水。我们观察到的声速异常，可以再现定量与分子动力学模拟。这些结果排除了一个水异常的拟议方案，并对其余的进一步限制。
2013-11-27 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Isotope Effects in Liquid Water via Deep Potential Molecular Dynamics
环境中的液态水的全面微观理解是$ab$ $initio$模拟的一个主要挑战，因为它同时需要一个准确的量子力学描述的基础势能面（PES），以及广泛的采样配置空间。由于存在轻原子（例如，H或D），核量子涨落导致液态水的结构性质发生可观察到的变化（例如，同位素效应），因此为$ab$ $initio$方法提供了又一个挑战。在这项工作中，我们证明了色散包容混合密度泛函理论（DFT），费曼离散路径积分（PI）方法和机器学习（ML）的组合构成了一个通用的$ab$ $initio$为基础的框架，使广泛的采样的热和核量子波动的一个相当准确的基础PES。特别是，我们采用最近开发的深势分子动力学（DPMD）模型-$ab$ $initio$ PES的神经网络表示-结合基于广义朗之万方程（PIGLET）的PI方法来研究同位素效应如何影响周围液体H $_2$ O和D $_2$ O的结构性质。通过对干涉微分截面以及几种径向和角向分布函数的详细分析，我们证明了这种方法可以提供这些微妙的同位素效应的半定量预测。
2019-06-03 physics.chem-ph physics.comp-ph
Understanding water's anomalies with locally favored structures
水是一种由氢键分子组成的结构复杂的液体，它显示出一系列令人惊讶的不寻常性质，也被称为水异常，最著名的是在大约$4^\circ$ C处的密度最大值。这些异常的起源仍然是一个争论的问题，到目前为止，从分子排列开始的水的相行为的定量描述仍然缺失。在这里，我们提供了一个简单的物理描述，从微观数据通过计算机模拟获得。我们引入了一种新的结构序参量，它量化的程度的平移顺序的第二壳，并表明，这个参数单独，它的措施的数量本地有利的结构，准确地表征水的状态。这些微观结构的双态模型被用来描述的行为的液态水在一个广泛的区域的相图，正确识别的密度和可压缩性异常，并与存在的第二个临界点在深过冷区域兼容。此外，我们发现，在水中的局部有利结构不仅在第二壳层的平移秩序，但也包含五元环的氢键分子。这表明它们的混合性质：前者有助于结晶化，而后者导致对结晶化的挫折。
2013-08-20 cond-mat.soft physics.chem-ph
Communication: Two-structure thermodynamics unifying all scenarios for water anomalies
水在超冷区的反常行为（即大气压下密度的降低和响应函数的急剧增加）主要与液-液临界状态的存在或重新进入汽-液旋节线进入正压有关。尽管不同的起源，这两种情况下引入分歧的响应函数。我们在通信中阐明，临界性是水异常的背后，水具有正常的汽-液旋节线，并且由于临界点的存在而导致弯曲的密度面，因此预测了重新进入的特征。我们可以证明这一点，通过新的两个结构的状态方程的临界性导致的两个状态和背景状态的非理想混合被模拟的状态方程，这是部署用于预测的汽液Spinodal，而制定的再入方案。
2021-09-02 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Isotope effects in supercooled H$_2$O and D$_2$O and a corresponding-states-like rescaling of the temperature and pressure
本文通过对应态类重标定方法，利用已有数据和状态方程，证明过冷H$_2$O和D$_2$O的热力学性质差异可由低温对应关系调和，支持液-液临界点假说解释水的异常。
2024-03-13 cond-mat.other cond-mat.soft physics.chem-ph
Roles of liquid structural ordering in glass transition, crystallization, and water's anomalies
液态是物质的基本和本质状态之一，但由于高密度导致的多体关联和缺乏长程序，对液态的物理理解远远落后于其他状态，如气体和固体状态。液体科学中重要的开放问题包括玻璃化转变、结晶和水的反常现象。奥斯汀·安吉尔对这些问题做出了巨大贡献，并提出了许多具有根本重要性的新概念。在这篇文章中，我们回顾了这些概念如何影响我们的工作液体物理，重点是液体结构有序的玻璃化转变，结晶和水的异常的作用。
2022-01-07 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft physics.chem-ph
Magnetic Isotope Effect in the Uranium Isotopes Separation
当硝酸铀酰在水溶液中光解时，轻同位素${}^{235}{\rm U}$与同位素${}^{238}{\rm U}$分离;富集因子$K = 1.04$。最初的样品被铀的轻同位素${}^{235}{\rm U}$贫化（$β= 0.00455$度）。用铀的同位素${}^{235}{\rm U}$（$α= 0.00464$度）浓缩再生的硝酸铀酰。四氟化铀被铀的同位素${}^{235}{\rm U}$贫化（$β= 0.00446$度）。在硝酸铀酰光还原反应中，利用磁同位素效应分离铀同位素。
2018-02-07 physics.chem-ph
Unravelling the contribution of local structures to the anomalies of water: the synergistic action of several factors
我们通过观察类低密度液体（LDL）和类高密度液体（HDL）环境的氢键网络（HBN）和空间组织来研究水异常的微观起源。具体来说，我们模拟-通过经典的分子动力学模拟-等压冷却的样品组成的512个水分子从环境到深度过冷条件下在三个压力，即1巴，400巴和1000巴。\emph{In correspondence with the Widom line}，（i）HDL-样主导簇经历由LDL-样聚集体的渗滤引起的遵循Spinodal-样动力学的片段化;（ii）这种片段化总是在LDL中$\sim20-30\%$的“临界”浓度下发生;（iii）LDL内的HBN-类似的环境的特征在于相同数量的五边形和六边形环，其在促进（iv）HDL样环境的空间组织显示出明显的变化。此外，整体对称性的检查表明，中程有序对应于宽线减少，并且这种减少随着压力的增加而变得更加明显，因此支持液-液临界点的假设。我们的研究结果揭示和合理化的水的异常的复杂的微观起源的几个因素的协同作用的协同效应。除了对水的影响，我们的发现可能会扩展到其他显示异常行为的材料。
2019-02-17 physics.chem-ph
Fluctuating micro-heterogeneity in water - tert-butyl alcohol mixtures and lambda-type divergence of the mean cluster size with phase transition-like multiple anomalies
水-叔丁醇（TBA）二元混合物表现出大量的热力学和动力学异常。这些异常现象是在令人惊讶的低TBA摩尔分数下观察到的，使用$x_{\text{TBA}} \approx 0.03 - 0.07$。我们在这里证明，异常的起源在于由于TBA分子的自聚集而发生的局部结构变化。我们观察到TBA分子在$x_{\text{TBA}} \approx 0.05$处的逾渗转变。我们注意到，“岛”的TBA集群形成甚至低于这个摩尔分数，而一个大的跨越集群出现以上的摩尔分数。在这个渗流阈值，我们观察到的最大的TBA集群的大小的波动，让人想起一个临界点的一个EQUIDDA型的分歧。此外，水的结构也受到TBA分子聚集的干扰，尽管很弱。水的四面体序参量呈单调减小的趋势，而偶极矩关联呈现弱的非线性。有趣的是，水分子本身在较高的TBA浓度下表现出反向渗滤转变，$x_{\text{TBA}} \approx 0.45$，其中大的跨越水簇现在分裂成小簇。这是伴随着最大的水集群的大小波动的显着分歧。这第二次转变引起了周围的另一组异常现象。这两种逾渗转变都可以看作是Janus效应在小分子水平上的表现。
2014-02-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Effect of dissolved salt on the anomalies of water at negative pressure
在环境压力下向水中加入盐会影响其热力学性质。在低盐浓度下，密度极大值等异常现象向低温移动，而在足够大的盐浓度下，它们不再被观察到。在这里，我们调查盐的影响，最近在纯水中观察到的异常在负压：沿等厚线的声速最小值的存在。我们比较实验和模拟的氯化钠水溶液的摩尔浓度约$1.2\,\mathrm{mol\,kg^{-1}}$，达到压力超过$-100\,\mathrm{MPa}$。我们还讨论了声速极小值的来源，并强调了声速温度和密度异常的相对位置的重要性。
2020-04-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Minimal microscopic model for liquid polyamorphism and water-like anomalies
本文提出一个最小微观模型，通过允许二元晶格模型中两组分相互转化为单组分流体，揭示了液-液相变与热力学反常等相行为，为过冷水及多晶型液体提供了统一理论框架。
2021-09-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech 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
Manifestations of the structural origin of supercooled water's anomalies in the heterogeneous relaxation on the potential energy landscape
液态水在过冷状态下的热力学异常现象是众所周知的。唯象双态模型--基于液态水中存在两种相互竞争的局部态（或结构）的假设--在描述水的热力学异常方面非常成功。然而，液态水中这些相互竞争的局域态的精确结构特征仍然难以捉摸。在这里，我们采用了几何序参量-自由的方法来明确识别两种类型的竞争本地状态-熵和能量的青睐-显着不同的结构和能量的功能在TIP 4P/2005液态水。这种识别是基于系统在势能景观（PEL）中的最速下降能量最小化过程中的异质结构弛豫。这种非均匀弛豫是使用受挫磁系统中自旋玻璃转变启发的序参量来表征的。我们进一步建立了这两种态的布居涨落与过冷水热容反常行为之间的直接关系。熵有利的局部状态的成分依赖的空间分布显示了一个有趣的交叉，从一个跨越网络状的单个集群的空间离域集群在Widom线附近。此外，这项研究建立了直接的关系的地形特征的PEL和水的热力学异常在过冷状态，并提供了替代标记（除了最大的热力学响应函数的轨迹）Widom线在相平面。
2022-08-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Manifestations of the possible thermodynamic origin of water's anomalies in non-classical vapor nucleation at negative pressures
本研究利用经典密度泛函理论探究不同热力学情景（如双临界点、无临界点等）对负压下蒸气成核动力学的影响，发现成核机制和势垒变化因情景而异，为揭示过冷水异常的热力学起源提供了新视角。
2024-11-08 cond-mat.soft physics.chem-ph
Insights into the structure of liquid water from nuclear quantum effects on density and compressibility of ice polymorphs
核量子效应导致六边形冰体积的异常移动;重冰的体积比轻冰大。冰中的这种反常现象随着温度的升高而增加，并在液态水中持续到沸点。我们研究了核量子效应对几种冰状结构和结晶冰相的密度和可压缩性的影响。通过计算各向异性对应变张量的贡献，分析了六角形冰在不同方向上的压缩性变化，发现六角形冰在x-y平面上比在z方向上更软。此外，通过采用范德瓦尔斯泛函和准谐波近似进行从头计算密度泛函理论计算，我们发现六角冰的体积模量存在反常的同位素效应：重冰的体积模量小于轻冰。与实验结果一致，我们还得到了笼形水合物结构I的反常同位素效应。对于其余的多晶型冰，同位素效应是：i）对于冰IX、Ih、Ic、笼形物和低密度液体状无定形冰是异常的; ii）对于冰IX、II、高密度液体状无定形冰和冰XV，在T=0 K时是正常的，并且随着温度的升高而变得异常; iii）对于冰VIII直到熔点是正常的。随着结构的密度（可压缩性）增加（减少），体积和体积模量都存在从反常同位素效应到正常同位素效应的转变。这一结果可以解释液态水中的反常同位素效应：当压缩性从熔点降低到压缩性最低温度时，重水和轻水的体积之差迅速减小，但直到沸腾温度，这种效应仍然是反常的，因为氢键网络从未被完全填充所有的间隙位置而完全破坏。
2018-01-09 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Quantum path integral simulation of isotope effects in the melting temperature of ice Ih
本文用统计力学的路径积分公式计算了冰的熔化温度Ih的同位素效应。同位素之间的自由能差异与它们的动能对同位素质量的依赖性有关。通过使用q-TIP 4P/F模型进行水模拟，该模型是一种点电荷经验势，其包括水分子的OH伸缩中的分子柔性和非谐性。该模型在常压下的熔化温度（T = 251 K），在氘和氚同位素取代氢后分别提高了6.5 ± 0.5K和8.2 ± 0.5K。这些温度变化大于实验值（分别为3.8 K和4.5 K）。在经典极限下，熔化温度与氚化冰的熔化温度几乎相同。这种出乎意料的行为是合理的分子间相互作用和分子的灵活性之间的耦合。这种耦合使得OH伸缩模的动能在液相中比在固相中大。然而，相反的行为被发现的分子内模式，显示更大的动能在冰比在液态水。
2011-08-18 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Anomalies in a waterlike model confined between plates
利用分子动力学模拟，我们研究了两个固定的疏水板之间的类水模型。该系统进行了测试的密度，扩散和结构的异常行为，并与散装的结果进行比较。在我们探索的限制距离范围内，我们观察到，在压力-温度相图中，最大密度的温度（TMD线），最大和最小扩散的温度发生在较低的温度下时，与体积值相比。对于两层之间的距离低于某一阈值$d\le d_c$，仅形成两层颗粒，对于$d\ge d_c$，形成三层或更多层。在三层的情况下，中心层保持液态，而接触层结晶。这一结果与原子模型的模拟结果一致。
2012-12-14 cond-mat.soft physics.chem-ph
Nature of the anomalies in the supercooled liquid state of the mW model of water
水的mW模型的过冷液体态的热力学性质表现出反常行为。与真实的水一样，热容量和压缩性在过冷时急剧增加。这些异常的可能解释之一，存在第二个（液体-液体）临界点，不支持这个模型的模拟。在这项工作中，我们再现了异常的mW模型与两个热力学方案：一个基于非理想的“混合物”与两种不同类型的当地秩序的水分子，和一个基于弱结晶理论。我们表明，这两种描述准确地再现模型的基本热力学性质。然而，弱结晶理论所隐含的幂律所需的耦合常数相对于规则背景太大，与弱结晶理论的假设相矛盾。波动校正范围以外的这项工作将是必要的，以适应弱结晶理论预测的形式。对于两态方法，在mW模型中的分子的低密度分数的直接计算是符合的唯象状态方程的预测。两种状态的“混合物”的非理想性永远不会变得足够强以引起液-液相分离，这也与模拟结果一致。
2013-04-01 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Shear viscosity and Stokes-Einstein violation in supercooled light and heavy water
本研究测量了过冷重水的剪切粘度并确认了轻水数据，发现基于布朗运动的测量结果与现有毛细管数据存在分歧，同时分析了两种同位素粘度比的显著增加及其动态性质的解耦现象。
2022-03-11 cond-mat.other physics.chem-ph
Correlation between thermodynamic anomalies and pathways of ice nucleation in supercooled water
公知的经典成核理论（CNT）对于在母亚稳相内形成新稳定相的临界尺寸的核的自由能垒没有考虑具有在母亚稳相和最终稳定相之间的密度/阶数中间的其它亚稳相的影响。这种缺陷可能比CNT中的毛细管近似或球形假设更严重。这个问题在冰成核中特别重要，因为液态水在过冷状态下显示出由两个（高密度和低密度）液相组成的丰富相图。对过冷水的热力学和动力学异常现象的解释，往往会援引两个亚稳液相之间的液-液转变的可能影响。为了研究热力学异常和过冷水中亚稳液相的存在对冰成核的影响，采用密度泛函理论方法计算了相图不同区域的成核自由能垒.该理论作出了一些惊人的预测，如显着降低的成核势垒，由于存在一个亚稳的中间相和交叉的自由能垒对温度的依赖性在液-液临界点附近。这些预测可以通过计算机模拟和受控实验进行测试。
2014-01-08 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Comment on "Oxygen as a Site Specific Probe of the Structure of Water and Oxide Materials", PRL 107, 144501 (2011)
Zeidler等人最近的一篇论文（PRL 107，144501（2011））描述了在水中的中子散射实验，其中首次成功地实现了氧同位素取代。不同氧同位素的散射模式之间的差异给出了O-O和O-H（或O-D）结构因子的组合，该方法巧妙地最大限度地减少了与氢的中子散射相关的一些有问题的非弹性效应。新工作的特别结论是，轻水分子中的OH键长比重水中的相同键长约0.005 A，并且两种液体中的氢键峰位于大致相同的位置。尽管新的工作证明了实质性的进展，但我们认为Zeidler等人与我们自己的结果（PRL，101，065502（2008））的比较具有误导性。
2012-01-10 physics.chem-ph
Influence of disordered porous media in the anomalous properties of a simple water model
分析了受限于基质中的类水体系在几何尺寸增大时的热力学、动力学和结构行为。该液体由二维关联格子气模型模拟，该模型表现出密度和扩散异常，与液态水中存在的异常相似。矩阵是一个三角形格子，其中固定的障碍物对粒子的占据施加限制。我们发现，障碍缩短所有的线，包括相位共存，临界和反常线。一个非常密集的矩阵的包含不仅抑制异常，但也液-液临界点。
2015-04-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Two-state thermodynamics of the ST2 model for supercooled water
ST 2模型的热力学性质的过冷液体水表现出类似于在真实的水观察到的异常。这些异常现象的一个可能的解释是存在一个亚稳态的，由临界点终止的液-液转变。这种现象，其可能存在于真实的水是目前许多实验工作的主题，已经明确地证明了这个特定的模型，最新的模拟。在这项工作中，我们再现了两个版本的ST 2模型的状态方程描述水作为一个非理想的“混合物”的两种不同类型的本地分子秩序的异常。我们表明，在ST 2水的液-液转变是能量驱动的。这与另一种流行的模型mW相反，在mW中，两种替代的局部分子顺序的混合的非理想性是熵驱动的，并且不足以强到诱导液-液转变。
2014-02-17 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Ultrafast Nuclear Dynamics in Double-Core Ionized Water Molecules
本研究针对水分子和重水分子的双空穴（DCH）态，通过俄歇发射谱同位素对比证实其1.5飞秒寿命内的超快核运动，数值模拟与实验吻合，揭示了同位素效应的动力学机制。
2024-03-11 physics.chem-ph
Electron Diffraction of Water in No Man's Land
本文提出一种在明确温度下快速制备深度过冷水并用电子衍射在结晶前探测的方法，发现水从室温冷却至略低于200 K时结构平滑演化为接近非晶冰，从而缩小了水异常起源的解释范围并开辟了过冷水研究新途径。
2022-11-08 physics.chem-ph
Anomalous Effects in Air While Cooling Water
水是一种独特的化合物，有许多不寻常的地方和性质尚未完全了解。我们在实验室设计了一个实验来研究这种异常现象，我们设置了一系列实验，其中一根管子被放置在一个密封容器内，热电偶附着在管子的外表面和管子附近的空气中。或者，将去离子水和其它化合物加入管中并冷却至冻结。当容器的整体温度降低时，悬挂在空气中并靠近管的几个热电偶显示出热振荡。热电偶的温度在冷却至冻结的部分期间以正弦方式增加和减少。记录到高达3摄氏度的热振荡，其典型频率为每分钟约5次振荡。
2008-04-14 physics.chem-ph
Isotope effects in ice Ih: A path-integral simulation
采用柔性水的有效q-TIP 4P/F势模型，通过路径积分分子动力学模拟对冰Ih进行了研究.这使我们能够分析有限温度量子效应在这个固相从25至300 K在环境压力下。在这些效应中，我们发现了冰在低温下的负热膨胀，这在经典的分子动力学模拟中没有出现。由体积涨落导出的压缩系数给出了与实验数据相符的结果。我们分析了同位素效应在冰Ih考虑正常，重，氚化水。特别地，我们研究了改变氢的同位素质量对晶体中的动能和原子离域的影响，以及对原子间距离和摩尔体积等结构性质的影响。对于D $_2$ O冰Ih在100 K，我们得到的摩尔体积和分子内的O-H距离的减少分别为0.6%和0.4%，相比H $_2$ O冰。
2011-08-09 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Unraveling quantum mechanical effects in water using isotopic fractionation
当水的两相处于平衡状态时，由于它们的相亲和力不同，每一相的氢同位素比例略有改变。这种同位素分馏过程可以用来分析水在世界气候中的运动。在这里，我们表明，平衡分馏比，一个完全量子力学性质，也提供了一个敏感的探针，以评估在水中的核量子波动的幅度。通过比较一系列水模型的预测，我们发现，那些描述的OH化学键刚性或谐波大大高估了同位素分馏的幅度。模型，占在这个坐标的非谐性显示，提供更准确的结果，由于它们的能力，使部分之间的相互抵消和分子内的量子效应。这些结果证明了水中存在相互竞争的量子效应，并使我们能够确定这种抵消如何在很宽的温度范围内变化。此外，这项工作表明，模拟可以提供准确的预测和洞察氢分馏。
2013-07-29 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Assessing the Performance of the Diffusion Monte Carlo Method as Applied to the Water Monomer, Dimer, and Hexamer
扩散蒙特卡罗（DMC）方法适用于水单体，二聚体和六聚体，使用q-TIP 4P/F，最简单的，经验的水模型与灵活的单体之一。研究了时间步长（$Δτ$）和总体大小（$N_w$）的偏倚。对于结合能，$Δτ$中的偏差几乎完全抵消，而$N_w$中的明显偏差仍然存在。然而，对于同位素位移（例如，在（H $_2$ O）$_2$和（D $_2$ O）$_2$之间的二聚体结合能中），$N_w$中的系统误差确实抵消。因此，后者的非常准确的结果（在$\sim 0.01$千卡/摩尔内）是用相对适度的数值努力（$N_w\sim 10^3$）获得的。对于水六聚体及其（D $_2$ O）$_6$同位素异构体，检查笼式和棱柱异构体的DMC结果作为$N_w$的函数。对于一个给定的异构体，步行人口泄漏出相应的吸引盆的问题是通过使用适当的几何约束。六聚体的群体大小偏差更严重，为了保持与二聚体相似的准确度，群体大小$N_w$必须增加约两个数量级。幸运的是，当采用笼和棱镜之间的能量差时，偏差消除，从而在使用$N_w=4.8\times 10^5$步行者群体时将系统误差降低到$\sim 0.01$ kcal/mol内。因此，也获得了非常准确的同位素位移结果。值得注意的是，棱镜笼能量差的量子效应和同位素效应都很小。
2015-02-03 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
Water above spinodal
液体旋节线是水热力学的基石，长期以来一直与隐藏在均匀成核极限后面的难以捉摸的液-液临界点一起讨论。这激发了许多试图解释水异常的情景。尽管最近的突破性实验消除了几个thous方案，我们缺乏一个工具来定位的旋节和液-液临界点。我们结合著名的Speedy方程和液-液临界点构建了一个独特的状态方程，以消除该缺陷并回顾这些解释。第一次，提出的状态方程独立地描绘了在液-液临界点的存在下的旋节线，并表明水异常的解释的基础上重新进入的旋节线是无效的，这个功能（重新进入旋节线）是唯一预测的基础上弯曲的密度表面所造成的第二个临界点的存在。然而，仅用临界点不足以解释水的密度面的形状。在新的方程中，氢键协同作用是重要的，迫使临界点存在于零温度之外。再加上越来越多的证据，在正压力下的均匀成核极限后面的压缩性最大值的存在，调查结果几乎排除了所有的解释水异常，除了在正压力下的液-液临界点的存在。最后，对热容的广泛研究表明，两个主要的实验热容数据集之间存在深刻的分歧，并确定了更准确的数据集。
2020-03-04 cond-mat.soft physics.chem-ph
Evidence of two distinct local structures of water from ambient to supercooled conditions
水的液态和过冷态表现出一系列的反常现象，其性质仍有争议。一个关键的作用是由于形成的结构聚集体引起的临界现象发生在过冷区域深处的水异常和隐藏的关键过程的性质仍然难以捉摸。在这里，我们报告的时间分辨光学克尔效应的振动动力学和弛豫过程中的过冷水调查。该实验测量水分子间振动和结构弛豫过程在一个扩展的温度范围内，并与前所未有的数据质量。模式耦合分析的实验数据，使表征分子间的振动模式和它们的相互作用与结构弛豫过程。结果带来的证据的共存的两个本地配置，这被解释为高密度和低密度的水的形式，后者在低温下的重量增加。
2013-12-17 cond-mat.soft physics.chem-ph
Liquid-liquid transition in supercooled aqueous solution involving a low-temperature phase similar to low-density amorphous water
在1960- 70年代发现的过冷水物理性质的惊人异常仍然没有完全理解，因此在理论家之间提供了争议的来源，并刺激实验学家和模拟器寻找穿透“结晶幕”的新方法，有效地屏蔽了问题的解决方案。最近，一个新的门的问题是打开显示，在理想的解决方案中，使用离子液体溶质，水的异常不破坏早期发现的普通盐和大多数分子溶质，而是被增强到沉淀一个明显的一级液-液转变的点。证据是在冷却过程中表观热容的峰值，在任何冰结晶的迹象出现之前，在重新加热过程中可以完全逆转。在这里，我们使用双振荡器红外光谱来定义这种现象的结构特征，使用类似的向下和向上扫描速率在量热研究。薄膜样品也允许慢扫描（1 K/min），其中过渡的宽度小于1 K，并且是完全可逆的。OH光谱在相变温度下不连续地变化，表明氢键结构的离散变化。光谱的变化表明，低温液体是更强的氢键和更少的无序相比，高温液体。低温液体的光谱基本上是在低密度无定形水中看到的。这种相似性表明，这里观察到的液-液转变也存在于纯净的过冷水中，为许多异常现象提供了统一的解释。
2016-05-29 physics.chem-ph
A Fast and Accurate Semi-Empirical Approach for Hydrogen-Exchange Kinetic Isotope Effect Evaluation
提出一种基于迭代表面扫描优化过渡态识别的半经验方法，实现质子交换反应动力学同位素效应的快速准确评估，性能优于DFT和传统半经验方法。
2025-03-12 physics.chem-ph
Isotope Effects at Classical Cost through Mass-Differentiable Machine Learning
本文提出iso-EPIGS框架，基于质量可微神经网络重构自由能面，以经典计算成本实现同位素效应的准确模拟，且对未见过的部分氘代同位素体具有强迁移性，为相关基础模型构建奠定基础。
2026-10-09 physics.chem-ph
Bond orientational ordering in liquids: Towards a unified description of water-like anomalies, liquid-liquid transition, glass transition, and crystallization
物质至少有三种基本状态，取决于温度和压力：气体，液体和固体（晶体）。这些状态由它们之间的一阶相变分离。在气相和液相中都存在完全的平移和旋转对称性，而在固相中，这两种对称性都被打破。在液体和固体之间的中间相中，包括液晶和塑性晶体相，仅保留两种对称性中的一种。在物质的基本状态中，人们对液态的了解最少。我们认为，这是至关重要的，更好地了解液体认识到，液体一般有一种倾向，有本地的结构秩序和它的存在是内在的和普遍的任何液体。这样的结构排序是许多体相关性的结果，更具体地说，键角相关性，我们相信这是描述液态的关键。我们表明，这种物理图像可以自然地解释与液态相关的困难的未解决的问题，例如水型液体（水，Si，Ge，...）的异常，液体-液体转变、液体-玻璃化转变、结晶和准晶形成，以统一的方式。换句话说，我们需要一个新的序参量来代表低的局部自由能组态，在许多情况下，这是键取向序参量，除了密度序参量的物理描述这些现象。在这里，我们回顾我们的两个顺序参数模型的液体，并考虑如何将瞬态局部结构排序与所有上述现象。并对这些现象之间的关系进行了讨论。
2013-07-02 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Observation of Selective Isotope Effect in the Ultraviolet excitation of N2: A Computational Study
与气相N2光解相关的同位素效应被用来解释火星大气演化、冰卫星大气化学和星云N2光化学的陨石同位素异常。为了在最高水平上解释观测结果，必须了解对过程的精确波长依赖性的基本理解。本文计算了在12.5-15 eV范围内不同波长切片上真空紫外同位素光解效应随波长的变化。观察到非常强的波长依赖性，这对于实验是有意义的。对于先进光源ALS处的光束轮廓的宽度，可观察到的效果是可能的，其可产生足够的光解产物用于高精度同位素分析。一个显着更显着的效果是由一个因素的四个提供了一个潜在的实验测试的模型更窄的光束预测。光谱从头计算。它体现了两种物理机制的同位素效应，他们可以区分使用窄束。对于稀有的重同位素异构体15 N15 N，分馏较大，而对于15 N14 N，分馏为一半大。
2011-10-16 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.chem-ph
Confinement-controlled Water Engenders High Energy Density Electrochemical-double-layer Capacitance
Skolkovo Institute of Science and Technology（斯克隆沃科学技术研究所）；Karlsruhe Institute of Technology（卡尔斯鲁厄理工学院）；École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)（洛桑联邦理工学院）；Max Planck Institute for Polymer Research（马克斯·普朗克高分子研究所）
本研究通过实验探索界面水层在电化学双电层电容中的作用，开发出无需电解质的新型膜电极装置，为高能量密度电化学双电层电容器及其他生态中性电池、燃料电池和纳米流体装置的发展提供新途径。
2022-12-30 cond-mat.soft physics.chem-ph
High-Resolution Adiabatic Calorimetry of Supercooled Water
液态水在过冷区表现出反常行为。解释过冷水异常现象的一个流行假设是存在一个在临界点终止的亚稳态液-液转变。假设的相变是不能直接访问的散装实验，因为它预计将发生在"无人"的区域低于动力学稳定性限制的液相在约235 K，均匀的冰形成的温度。因此，对这一假设的验证通常是基于从实验可达区域的外推。在这项工作中，我们提出了高分辨率的绝热量热法测量的结果冷和过冷液体水在294至244 K的范围内，水的过冷的最低温度达到迄今为止在散装绝热量热实验。测量的分辨率也是创纪录的高，平均统计（随机）误差约为0.1%。这些数据与Tombari等人早先报道的过冷水的绝热量热法测量结果一致[Chem.PhysLett.，Vol.300，P.749（1999）]，但显著偏离Angell等人[J. Phys.Chem.，Vol.86，P.998（1982）]和Archer和Carter [J.Phys.Chem B.，第104卷，第8563页（2000）]。新的热容量数据的解释水的异常的性质的后果进行了讨论。
2018-12-03 cond-mat.soft physics.chem-ph
Efficient methods and practical guidelines for simulating isotope effects
由于同位素取代而引起的化学平衡的变化经常被用来深入了解各种各样的化学和物理过程。这是一个纯粹的量子力学效应，可以使用基于路径积分形式主义的模拟来精确计算。在这里，我们将讨论如何使这些技术显着更有效，以及它们如何最终超越准谐波近似来处理量子液体，不仅在精度方面，而且在计算效率方面。为了实现这一目标，我们引入基于自由能微扰的路径积分量子力学估计，这使得同位素效应的评价只使用一个单一的路径积分分子动力学轨迹的自然丰富的同位素。作为一个例子，我们使用的自由能变化的计算与H/D和16 O/18 O取代在液态水，和分馏的这些同位素之间的液体和蒸汽相。在这样做的过程中，我们展示和定量讨论每种方法的相对优势，从而提供了一套指导方针，应该有利于在不同的，常见的情况下选择最合适的方法。效率的估计，我们介绍和分析，我们执行应特别有利于准确的从头计算的凝聚相系统中的同位素效应。
2012-11-07 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Water and its relatives: the stable, supercooled and particularly the stretched, regimes
虽然水分子很简单，但它的凝聚相液体行为是如此复杂，尽管经过三个世纪的努力，仍然没有达成共识的描述。在这里，我们确定其行为的特点是最奇特的，因此建议前进的道路。我们研究了水在共同经验的边界上的性质，包括高压下的稳定状态，正常和升高的压力下的过冷状态，以及拉伸（“负压”）状态，达到机械稳定性的极限。中等压力下常见的异常（粘度和密度（TMD）行为等），根据常见的键断裂标准，不能用氢键断裂来解释。TMD的数据比较，在积极和消极的压力，与流行的对潜在的模型的预测，显示出显着的差异出现在拉伸液体域。这引发了对第二临界点（TC 2）假说的质疑，该假说一直指导着当前的许多思想。我们转向相关系统的指导，审查水状异常的层次结构。我们的结论是，水模型是远远不够的，正确理解水将取决于成功地掌握在负压域中的液体行为的测量-我们讨论。
2014-04-15 cond-mat.soft physics.chem-ph
