Influences of Divalent Ions in Natural Seawater/River Water on Nanofluidic Osmotic Energy Generation
本文研究天然海水/河水中二价离子对纳米孔渗透能转换的影响,发现作为反离子的Ca2+通过屏蔽表面电荷降低性能,而作为共离子影响弱,并揭示了外表面约200 nm的促进区域,为渗透能收集提供指导。
2024-02-07 physics.chem-ph
Comparison of structure making/breaking properties of alkali metal ions Na+, K+ and Cs+ in water
电解质水溶液中的碱金属离子对水通过氢键形成的周围网络结构有很强的影响。离子对水结构的扰动程度取决于单个离子的性质和溶质浓度。实验技术,如中子衍射,X射线衍射,拉曼光谱,同位素替代研究,粘度测量和相关的理论或模拟研究,以了解这些解决方案的结构变化的特性特征。最近对NaCl、KCl和CsCl水溶液的超声波研究表明,从极稀到饱和极限,随着浓度(c)的增加,速度(v)的变化出现异常变化。本文结合实验观察和已有的理论或模拟研究,对Na ~+、K ~+和Cs ~+离子在水中的结构形成/破坏特性及其对声速变化的影响进行了比较研究。
2019-09-23 cond-mat.soft physics.chem-ph
Femtosecond study of the effects of ions on the reorientation dynamics of water
利用偏振分辨飞秒中红外光谱研究了离子对液态水重取向动力学的影响。本文研究了氯化钠、碘化钠和四烷基溴化铵盐在8%HDO:H_2O溶液中HDO分子O-D伸缩振动激发的各向异性。发现HDO分子中O-D基团与Cl-和I-离子水化的重取向发生在两个不同的时间尺度上,时间常数分别为2pm ~(0.3)ps和9 pm ~ 2 ps。快速组分是由于O-D基团的摆动运动,其保持与卤素阴离子的氢键完整。对于四烷基溴化铵盐的溶液,我们观察到与四烷基铵离子的疏水烷基的水合作用相关的水的重取向的非常强烈的减慢。
2013-07-23 physics.chem-ph
Structural and Dynamic Properties of Solvated Hydroxide and Hydronium Ions in Water from Ab Initio Modeling
从从头计算分子动力学(AIMD)出发,预测水溶液中氢氧化物和水合氢离子的不对称结构和动力学是一项具有挑战性的任务。这一困难主要来自于缺乏准确有效的交换相关泛函来解释两种离子的两亲性和普遍存在的质子转移行为。通过采用强约束和适当赋范(SCAN)元GGA功能的AIMD模拟,我们系统地研究了两个水离子的两亲性,溶剂化结构,电子结构和动力学性质。特别是,我们将这些结果与PBE 0-TS泛函预测的结果进行了比较,PBE 0-TS泛函是一种精确但计算成本更高的交换相关泛函。我们证明,通用的扫描功能提供了一个可靠的选择,在描述两个水离子。具体而言,在水离子的SCAN图像中,第四和第五氢键的出现接近氢氧化物稳定的壶状形状的溶剂化结构和抑制结构扩散,而水合氢离子稳定地捐赠三个氢键给它的邻居。结果表明,氢氧化物倾向于逐步质子转移,而水合氢离子倾向于协同质子转移。因此,氢氧化物在水中的扩散比水合氢离子慢,这与实验一致。
2022-06-27 physics.chem-ph physics.comp-ph
Observation of different reactivities of para- and ortho-water towards cold diazenylium ions
水,H $_2$ O,是化学、生物学和天体物理学中的基本分子之一。它以两种不同的核自旋异构体存在,对位水和邻位水,它们在孤立的分子中不会相互转化。制备这两种异构体的纯样品的实验挑战迄今为止排除了对它们各自化学行为的表征。利用极性分子静电偏转的最新进展,我们在分子束中分离了对位水和邻位水的基态,以表明这两种异构体在与冷重氮离子(N $_2$ H $^+$)的原型反应中表现出不同的反应性。基于从头计算和使用旋转绝热捕获理论的反应动力学建模,我们合理化这一发现在不同的旋转平均的离子-偶极相互作用在反应过程中。目前的结果突出了核自旋和旋转对称性及其对化学反应性的影响之间的微妙的相互作用。
2018-04-16 physics.chem-ph
Nuclear quantum effects in water exchange around lithium and fluoride ions
我们采用经典和环状聚合物分子动力学模拟研究核量子涨落对锂和氟离子水溶液结构和水交换动力学的影响。虽然我们得到了合理的锂溶液的实验数据,通过增加离子和水分子之间的库仑相互作用与标准的伦纳-琼斯离子-氧势,这是不正确的氟化物的解决方案,我们发现,一个潜在的软排斥壁给出更好的协议。与经典模拟相比,在两种离子的量子模拟中发现第一水合壳层的小程度的不稳定,壳层变得不那么尖锐,并且水分子在壳层中的平均停留时间减少。根据这些适度的差异,我们发现交换过程的机制不受量子化的影响,因此这些反应的经典描述给出了定性正确和定量合理的结果。我们还发现锂溶液中的量子效应比氟化物溶液中的大。这部分是由于锂与水分子的较强相互作用,部分是由于锂的质量较轻,部分是由于氟化物水合中的竞争量子效应,这在锂水合中是不存在的。
2015-01-26 physics.chem-ph
Water rotational jump driven large amplitude molecular motions of nitrate ions in aqueous potassium nitrate solution
硝酸钾水溶液的分子动力学模拟揭示了硝酸根离子的高度复杂的旋转动力学,其中,叠加在预期的连续布朗运动上的是大幅度角跳跃,其耦合到水分子中的类似大幅度跳跃运动并且至少部分地由水分子中的类似大幅度跳跃运动驱动,所述水分子中的类似大幅度跳跃运动与氢键合的水分子中的变化相关联。这些跳跃对这些离子的旋转和平移运动有重要贡献。我们探讨了这些关联(或耦合)跳跃的详细机制,并引入了一个新的时间关联函数来分解电解质水溶液中溶剂和溶质的耦合取向跳跃动力学。时间关联函数提供了明确的时间常数的测定涉及的取向动力学起源于制作和破坏的氢键。我们发现了两种不同的机制,都耦合到密度涨落,但不同的类型。
2016-06-01 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Using nonlocal electrostatics for solvation free energy computations: ions and small molecules
溶剂化自由能是计算化学中的一个重要物理量,在药物发现和设计中有着广泛的应用。由于水-溶质相互作用的复杂性,小分子在水中的溶剂化自由能的准确预测仍然是一个很大程度上尚未解决的问题。在这封信中,我们开发了一个计划,用于确定的静电贡献的溶剂化自由能的带电分子的基础上,涉及一个最小的参数集,特别是允许引入原子半径在一个一致的方式的非局部静电。我们测试我们的方法对简单的离子和小分子的实验结果和其他理论描述可用于定量比较。我们的结论是,我们的方法是物理上透明和定量可靠。
2003-02-19 physics.bio-ph physics.chem-ph
Hydration Mimicry by Membrane Ion Channels
如果这些蛋白质通道提供了类似于水溶液水合环境的环境,那么离子通过生物膜可能很容易从水中通过离子特异性膜蛋白。事实上,本体水溶液是离子渗透过程的重要参考条件。评估这种水化模拟的观点取决于理解水化结构和水中金属离子的自由能,以提供膜通道环境的比较。为了完善这些考虑,我们审查本地水合结构的离子在散装水,和分子准化学理论,提供水合自由能。在这个过程中,我们注意到一些目前的观点离子结合膜通道,并提出新的物理化学计算和实验,可能会进一步澄清水化模拟的观点。
2019-12-09 physics.bio-ph physics.chem-ph
Finite size dependent dispersion potentials between atoms and ions dissolved in water
一个非展开的理论被用于溶解在介质中的原子和离子之间的色散势。处于激发态的两个原子之间的一阶色散相互作用必须考虑两个原子通过电磁场耦合的事实,并且必须包括来自背景介质、延迟和有限尺寸的影响。我们发现,当两个粒子接近时,有限尺寸的修正改变了水中的色散相互作用的几个数量级。我们考虑氦原子、氪原子、磷酸根离子和碘离子作为四个说明性的例子。我们证明,由于大的抵消效应,延迟主导的相互作用,氦原子对在各向同性激发态下降到非常小的原子-原子间距,有限尺寸的修正也很重要
2014-06-09 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph physics.chem-ph
Autoionization of water: does it really occur?
水的电离常数Kw目前是根据质子传导率σ 1确定的,该电导率σ 1是在低于10^7 Hz的频率下测量的。在这里,我们提出了这样的想法,即高频电导率σ 2(~10^11 Hz),而不是σ 1代表水中的净质子动力学,以评估σ 2中H3 O+和OH-离子的实际浓度c。我们发现c不依赖于温度,从而得出结论:i)水电动力学是由于H3 O+(或OH-)离子和中性H2O分子之间的质子交换,而不是H2O分子的自发电离,ii)共同的Kw(或pH)反映了H3 O+和OH-离子从它们的相互作用的电势的热活化,iii)目标水分子的寿命不超过几纳秒。
2015-08-01 physics.chem-ph
Diffusion and Solvation Dynamics of Ions in Water: Beyond the Brownian Approximation
Princeton University(普林斯顿大学);High Meadows Environmental Institute, Princeton University(普林斯顿大学高地环境研究所);Universidad Complutense de Madrid(马德里康普顿斯大学)
本研究探究多种碱金属、碱土金属及氯离子的耦合动力学,发现其振动功率谱的晃动频率对同位素质量有不同敏感性,或可作为离子溶剂化及类霍夫迈斯特效应的特征。
2026-08-14 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph physics.comp-ph
Polarization and Charge Transfer in the Hydration of Chloride Ions
本文对第一层水化壳层中氯离子和水分子的结构和电子性质进行了理论研究。的计算上进行合奏的配置从分子动力学模拟的单个氯离子在散装水。模拟利用可极化AMOEBA力场的轨迹生成,和MP2水平的计算进行检查的离子和周围的水在更远的水域的外场的电子结构特性。ChelpG方法被用来探索氯离子和第一壳层水的有效电荷和偶极子。进一步利用分子中原子的量子理论(QTAIM)来研究从阴离子到周围水分子的电荷转移。根据QTAIM分析,0.2个元电荷从离子转移到第一壳层水分子。默认的AMOEBA模型高估了离子的平均偶极矩幅度与估计的量子力学值相比。在MP2水平下处理的第一壳中的水分子的偶极矩的平均大小为2.67 D,其中用AMOEBA有效电荷模型处理更远的水域。该值接近于第一壳水的AMOEBA结果(2.72 D),并略低于整体AMOEBA值(2.78 D)。第一溶剂化壳层中的水分子的偶极矩的大小受局部水-水相互作用和与第二溶剂化壳层的氢键的影响最强烈,而不是受与离子的相互作用的影响。
2009-12-14 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Microscopic understanding of ion solvation in water
离子的溶剂化在我们的星球上无处不在。溶剂化离子对离子溶液的行为具有深远的影响,这在自然界和技术中至关重要。在实验上,离子被分为“结构制造者”或“结构破坏者”,这取决于它们是否减慢或加速溶液动力学。在理论上,离子的动力学已被解释为一个介电摩擦模型结合流体力学和电荷-偶极相互作用的连续描述。然而,这两种方法都缺乏微观结构基础,使得对盐效应的微观理解不清楚。在这里,我们阐明了独特的微观特征的球形离子的溶剂化的计算机模拟。我们发现,增加离子电场会导致急剧过渡的水化壳层厚度的减少,信号的离子迁移率从斯托克斯到介电摩擦制度的变化。由于水-水氢键和离子-水静电相互作用之间的竞争,介电摩擦机制可以进一步分为两种:前者或后者占上风决定了水动力学是加速还是减速。在离子-水相互作用占主导地位的制度,离子大小和电荷的特定组合稳定的水化壳通过定向对称性破缺,让人想起汤姆逊问题的电子配置的原子。值得注意的是,水化壳层的稳定性是高得多的复合配位数比一个质数,溶剂动力学的质数效应。这些研究结果是基本的结构断路器/制造商的概念,并提供了新的见解溶剂结构和动力学超越连续模型,铺平了道路的微观理论的离子溶液。
2021-07-26 cond-mat.soft physics.bio-ph 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
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
Dynamic Properties of Water inside Graphene Oxide Membranes
利用氧化石墨烯膜分离海水中的盐离子是一种新兴的海水淡化方法。在这里,我们调查的动态行为的水,钠,氯离子GO膜内使用的计算方法。首先,我们开发了四种不同的GO膜模型,其中GO片之间的距离不同(0.7、0.9、1.1和1.3 nm),并对每个膜内部的水进行了20 ns的分子动力学(MD)模拟。通过对水的均方位移和爱因斯坦扩散方程的分析,测定了水在各膜中的扩散系数。我们发现GO膜内部的水的扩散系数随着片之间的距离(d)减小而减小。测得的水的扩散系数(单位为0.00001(cm*cm)/sec)为0.03(d = 0.7 nm)、0.91(d = 0.9 nm)、1.18(d = 1.1 nm)和1.49(d = 1.3 nm),而本体水的扩散系数为2.49。其次,为了分析每种膜的脱盐性能,我们还计算了水、钠和氯离子通过膜夹层渗透的自由能分布。渗透自由能分布表明,用于脱盐的GO片层间距为0.9 ~ 1.1 nm。当GO片层间距为0.9和1.1 nm时,水渗透膜的自由能垒可忽略不计,钠离子或氯离子的自由能垒为2 ~ 4 kcal/mol。我们相信,我们的模拟结果将是一个显着的贡献,设计一个新的GO为基础的膜脱盐。
2021-08-24 physics.chem-ph
Impacts of surface chemistry and adsorbed ions on dynamics of water around detonation nanodiamond in aqueous salt solutions
Water near detonation nanodiamonds (DNDs) forms a Hydrogen Bond (HB) network, whose strength influences DNDs' fluorescence intensity and colloidal stability in aqueous suspensions. However, effects of dissolved ions and DND's surface chemistry on dynamics of water that manifest in rupture and formation of HBs still remain to be elucidated. Thus, we carried out molecular dynamics simulations to investigate the aforementioned effects in the aqueous salt (any of KCl, NaCl, CaCl\_2, or MgCl\_2) solution of DND functionalized with any of -H, -NH\_2, -COOH, or -OH groups. We observed the specific ca…
2021-02-26 cond-mat.soft physics.chem-ph physics.comp-ph
Beyond Dielectrics: Interfacial Water Polarization Governs Graphene-Based Electrochemical Interfaces
本研究通过分子动力学模拟与理论分析,突破经典双电层模型认知,发现界面水极化可调控石墨烯基电化学界面的电势分布与电容,提出了更准确的修正双电层模型。
2025-05-19 physics.chem-ph
Anion emission from water molecules colliding with positive ions: Identification of binary and many-body processes
结果表明,负离子从气相水分子轰击时,在keV的能量典型的太阳风的速度与正离子。这一发现与行星和彗星大气的研究以及辐解和放射生物学有关。在6.6 keV 16 O + + H2O碰撞中观察到H-和较重的(O-和OH-)阴离子的发射,其中H-的产率较大。实验设置允许单独识别的阴离子碰撞中形成的多体动力学从那些在硬,二元碰撞。大多数阴离子由于多体过程而以低动能发射。模型计算表明,核-核相互作用和电子激发是导致大的负离子发射产额的主要原因.
2015-06-30 physics.atm-clus physics.atom-ph 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
The Madrid-2019 force field for electrolytes in water using TIP4P/2005 and scaled charges: extension to the ions F$^-$, Br$^-$, I$^-$, Rb$^+$, Cs$^+$
本研究扩展Madrid-2019力场至Rb⁺、Cs⁺、F⁻、Br⁻、I⁻,采用TIP4P/2005水模型与0.85 e缩放电荷,实现宽浓度下碱金属卤化物水溶液密度、输运及结构性质的可靠预测。
2024-01-22 physics.chem-ph
Modeling the selective partitioning of cations into negatively charged nanopores in water
水和小溶质进入和通过纳米孔的分配和运输对于各种化学和生物过程和应用是重要的。在这里,我们研究分区的正离子的大小增加到孔隙内部使用广泛的分子动力学模拟。尽管简单的模拟系统,结果提供了新的和有用的见解的孔隙水化和离子分配。对于孔上的低负电荷密度,用于将正离子分配到孔中的驱动力是弱的,并且没有观察到分配。孔电荷逐渐增加导致正离子进入孔的分区。有趣的是,在一系列的中间负电荷密度,纳米孔显示出热力学以及动力学的选择性分配较大的K+和Cs+离子进入其内部的较小的Na+离子。热力学驱动力和平均分配时间随孔电荷密度的变化表明,在分配过程中存在自由能垒。我们讨论了离子水合作用在体和在孔内部,以及在确定离子分区和所观察到的热力学和动力学选择性的势垒高度的孔水合作用。
2007-02-08 physics.chem-ph
A force field of Li$^+$ , Na$^+$ , K$^+$, Mg$^{2+}$, Ca$^{2+}$, Cl$^-$, and SO$_4^{2-}$ in aqueous solution based on the TIP4P/2005 water model and scaled charges for the ions
提出 Madrid-2019 非极化离子力场,结合 TIP4P/2005 水模型与标度电荷,可在可承受成本下准确描述海水相关离子溶液的密度、黏度、结构及三元混合物。
2024-01-24 physics.chem-ph
Hydration of ions in two dimensional water
本文提出了一个二维水晶格模型来研究离子水合作用对水性质的影响。我们将水分子映射为晶格粒子,由位于中心的单个氧和位于每侧的两个氢原子组成。系统的内部状态,例如位点处的偶极矩,是相对于该位点处的氢原子的位置来定义的,这取决于它们在氢键(H-键)中作为供体或受体的作用。我们研究了离子的电荷和半径对插入能和离子周围的第一和第二水化层中的氢键以及体中的氢键的影响。特别是,我们分析了短程氢键和长程静电的竞争相互作用如何影响水化性能。的作用的离子作为一个源的静电相互作用,以及一个缺陷也进行了讨论。我们的模型还显示了众所周知的事实,即水分子的极化破坏了氢键网络,并增加了离子附近的分子的偶极矩。
2015-11-11 cond-mat.soft 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
Counterions and water molecules in charged silicon nanochannels: the influence of surface charge discreteness
为了考察表面电荷离散性对固液界面性质的影响,采用考虑壁面原子振动的分子动力学模拟模型,研究了不同电荷分布下离子和水的性能.通过模拟结果与理论预测的比较发现,随着离散度的增加,更多的反离子被吸引到表面。这些离子形成了一个更密集的积累层,位于更接近表面,并引起电荷反转。该层中的离子是非水合或部分水合的。当在纳米通道上施加电压时,与均匀带电表面附近的离子不同,这种致密的积累层不会移动。从不同表面电荷分布的纳米通道中获得的水密度分布,表面电荷的离散性对水分布的影响可以忽略不计。
2016-12-18 cond-mat.soft physics.chem-ph
The irradiation of water ice by C$^+$ ions in the cosmic environment
采用第一性原理分子动力学(FPMD)方法研究了30 K下低能、带正电荷的碳(C+)射弹与非晶态固体水团簇的相互作用.研究了初始能量为11 eV和1.7 eV的碳离子与30个分子团簇的反应。模拟结果表明,中性异甲酰自由基,COH,和一氧化碳,CO,是这些反应的主要产物。所有这些反应都伴随着质子从反应的水分子转移到冰,在那里它形成了水合氢离子。我们发现COH的形成要么是通过C+射弹撞击水分子后的直接“敲除”机制,要么是通过生成COH_2^+中间体。在较高能量下,直接机制更为突出。CO通常在COH解离后产生。更频繁的生产的甲酰基自由基,HCO,在这里观察到比在气相计算。一种不太常见的产物是二羟甲基CH(OH)_2自由基。虽然是一个小的结果,它的存在给出了一个指示,增加化学复杂性,这是可能在这样的异质环境。
2014-08-06 astro-ph.GA physics.chem-ph
Understanding the Anomalous Diffusion of Water in Aqueous Electrolytes Using Machine Learned Potentials
本文利用基于密度泛函理论训练的机器学习原子势函数进行分子动力学模拟,成功重现了水溶液电解质中水的反常扩散现象,并揭示了CsI和NaCl溶液中离子对水扩散率产生不同影响的微观机制。
2023-07-28 cond-mat.soft physics.chem-ph
Intrusion of liquid electrolytes inside hydrophobic MOF's: contribution of the osmotic pressure
研究了高压水侵入疏水纳米多孔介质与能量储存的关系。已经表明,在水中添加电解质增加了液体的侵入压力,导致存储容量的增强。我们在这里证明,对于一些盐,一个非常简单的范特霍夫定律可以解释侵入和挤出超压与纯水的情况相比。我们的研究结果表明,只有纯水可以渗透的孔隙,离子被四分之一周围的纳米多孔介质的散装液体。这种选择性解释了Tzanis等人(2014)报告的非常高浓度离子的非常高的压力。最后,观察到NaI和LiI的部分侵入。这种效果可以解释的基础上的特定行为或碘离子在疏水表面。
2014-06-27 physics.chem-ph
The Surface of Electrolyte Solutions is Stratified
离子在空气/水界面的分布在许多自然过程中起着决定性的作用。通常认为,具有低电荷密度的可极化离子是表面活性的,这意味着它们位于水表面的顶部。在这里,我们修改这一既定的假设相结合的表面特异性外差检测振动和频生成与神经网络辅助从头算分子动力学模拟。我们的研究结果直接表明,在典型的电解质溶液中的离子,事实上,位于一个地下区域,导致这样的界面分层成两个独特的水层。最外表面是离子耗尽的,并且次表面层是离子富集的。结果,在溶液内部几个微纳米处的有效液体/液体界面出现,除了最外面的空气/水界面之外,还产生了第二个水/电解质界面。
2022-10-04 cond-mat.soft physics.chem-ph
Hydrophobic and Ionic Interactions in Nano-sized Water Droplets
本文研究了球形水滴中甲烷和带电荷修饰甲烷的溶剂化反应。自由能分布为一个单一的甲烷分子在液滴中,直径D,从1到4纳米的范围内,表明液滴表面是非常有利的内部相比。从D=3 nm的自由能的温度依赖性,我们表明,这种效果是熵驱动。两个甲烷分子之间的平均力(PMFs)的潜力表明,溶剂分离的最低限度在大部分是完全不存在的承压水,独立的液滴大小,因为溶质颗粒主要与液滴表面。带电荷(Mq+和Mq-,q+ = q- = 0.4e,其中e是电子电荷)的甲烷被钉扎在表面的趋势显著地取决于水滴的大小。当D=4 nm时,离子更喜欢内部,而对于D<4 nm,离子位于表面,但倾向于比甲烷小得多。离子电荷增加到e时,表面会变得非常不利。反映了水分子的电荷不对称性,与相同电荷量的正离子相比,负离子对表面具有更强的偏好。随着液滴尺寸的增加,Mq+和Mq-之间的PMF显示由于表面溶剂化的趋势降低的边界的影响减小。我们还表明,作为溶质电荷密度降低的表面变得不那么不利。我们的研究结果在有限空间中的蛋白质折叠的影响进行了概述。
2006-09-12 cond-mat.other cond-mat.soft physics.bio-ph
Explosions of water clusters in intense laser fields
高能、高电荷氧离子$O^{q+}$($q\leq 6$)在高电荷水簇$(H_2O)_n$和$(D_2O)_n$ $n\sim$ 60的激光场诱导分解时大量产生,所述高电荷水簇通过用水蒸气播种高压氦或氩形成。发现在相似的实验条件下形成的$Ar_n$团簇(n $\sim$ 40000)在库仑爆炸区发生解体,$Ar^{q+}$离子的能量与$q^2$有关。水团簇,这被认为是相当小的尺寸,也应该在同一制度下解体,但碎片O $^{q+}$离子的能量被发现线性依赖于$q$,根据流行的智慧,应该是一个签名的流体动力学膨胀,预计大得多的集群。这些意见对我们理解的两个集群爆炸制度,库仑爆炸和流体动力学膨胀的影响,进行了讨论。我们的研究结果表明,离子能量的电荷态依赖性不构成一个明确的实验签名的集群爆炸制度。
2003-03-20 physics.atm-clus physics.chem-ph
Non-Reciprocal Interactions Induced by Water in Confinement
水介导的静电相互作用,通过其周围的离子,分子和界面的偶极子的方向。因此,这种诱导的水极化影响多种现象。特别是,水的极化调制纳米约束影响离子吸附和运输,生物分子自组装和表面化学反应。因此,了解水介导的相互作用如何在纳米尺度上变化至关重要。在这里,我们表明,在石墨烯表面附近的阴离子-阳离子相互作用不遵守库仑定律的平移和各向同性对称性。我们确定了一个新的属性,被称为非互易性,它描述了两个相反的电荷的离子之间的非等效和定向的相互作用时,他们的位置相对于界面交换的限制表面附近。具体地,在沿着表面法线方向交换两个离子的位置时,相互作用能改变约5 $k_BT$。在这两种情况下,限制增强了石墨烯表面附近两个带相反电荷的离子之间的吸引力,而一个离子嵌入石墨烯层将相互作用转变为排斥。虽然水的介电常数在限制是不同的,在散装,这里通过分子动力学模拟和X射线反射率实验观察到的效果不能占目前的介电常数模型。我们的工作表明,水的结构是不足以推断界面附近的静电相互作用。
2020-11-12 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph physics.chem-ph
Polarization forces in water deduced from single molecule data
利用分布极化率建立的最小原子多极模型,确定了水中分子间的极化相互作用。水-水相互作用的氢键和其他性质仅由三个多极$μ_H$、$μ_O$和$θ_O$以及两个极化率$α_O$和$α_H$精确再现,它们表征单个水分子并从单分子数据推导。
2004-07-08 cond-mat.soft physics.atm-clus physics.bio-ph
The rotational temperature of polar molecular ions in Coulomb crystals
以MgH^+离子为例,我们研究了在线性Paul阱中被同感冷却到库仑晶体中的较小极性分子离子的旋转运动与离子系综的平移运动耦合的程度。通过比较从旋转状态选择共振增强的光解离实验获得的结果与从理论模拟的数据,我们得出结论,有效的旋转温度超过平移温度(< 100 mK)超过两个数量级,表明一个非常弱的耦合。实际上,实验结果与旋转温度在~300 K时与周围环境处于热平衡相一致。
2005-06-17 physics.chem-ph
Predictive simulations of ionization energies of solvated halide ions with relativistic embedded Equation of Motion Coupled-Cluster Theory
用子系统方法计算了卤离子(X $^-$,X = F-At)在水溶液中的价电子结合能。这种方法是基于电子结构的计算相结合的相对论运动方程耦合簇电子分离方法(EOM-IP-CCSD)和密度泛函理论通过冻结密度嵌入(FDE)的方法,使用结构从经典的分子动力学与极化力场离散系统(在本研究中,液滴含有阴离子和50个水分子)。我们的研究结果表明,人们可以准确地捕捉到的大溶剂效应的卤化物,以及分裂的电离信号,由于越来越大的自旋轨道耦合的p $_{3/2}$ -p $_{1/2}$歧管在整个系列,在一个负担得起的计算成本。此外,由于溶质和溶剂的量子力学处理,半定量质量的电子结合能也获得了(散装)水作为计算卤素(液滴)的副产品。
2018-12-04 physics.chem-ph
Structure, hydrolysis and diffusion of aqueous vanadium ions from Car-Parrinello molecular dynamics
在分子水平上理解钒在水溶液中的电活性物种的性质对于提高钒氧化还原液流电池(RFB)的性能至关重要。本文采用基于密度泛函理论的Car-Parrinello分子动力学(CPMD)模拟方法,研究了300 K下V $^{2+}$、V $^{3+}$、VO $^{2+}$和VO $_2^+$离子水溶液的水化结构、首次水解反应和扩散.结果表明,V $^{2+}$和V $^{3+}$的第一水化壳层均含有6个水分子,VO $^{2+}$配位5个水分子,VO $_2^+$配位3个水分子.第一酸度常数(p $K_\mathrm{a}$)估计使用metadaptics模拟为2.47,3.06和5.38水V $^{3+}$,VO $_2^+$和VO $^{2+}$,分别,而V $^{2+}$被预测为一个相当弱的酸在水溶液中的p $K_\mathrm{a}$值为6.22。我们还表明,氯离子的存在下,在第一协调领域的水VO $_2^+$离子有一个显着的影响,水的水解导致一个更高的p $K_\mathrm{a}$值为4.8。这将导致VO $_2^+$水溶液用于氧化物沉淀反应的倾向较低,这与基于氯化物的电解质溶液的实验观察结果一致。计算的钒物种在水中的扩散系数在室温下被发现增加为V $^{3+}$ $<$ VO $_2^+$ $<$ VO $^{2+}$ $<$ V $^{2+}$,从而与模拟的水解常数,即,更高…
2016-09-12 physics.chem-ph
Chelation of the mercury ions by polyethyleneimine: Atomistic molecular dynamics study
本研究通过原子分子动力学模拟,发现含十个氨基的线性聚乙烯亚胺可配位多达四个汞离子,且DFT计算证实了络合物的稳定性。
2025-06-23 cond-mat.soft physics.chem-ph
Valence Ionization Of Water Clusters Formed Inside Helium Nanodroplets
Indian Institute of Technology Madras(印度马德拉斯理工学院);Aarhus University(奥胡斯大学);Université Grenoble Alpes, CNRS, LIPhy(格勒诺布尔阿尔卑斯大学,法国国家科学研究中心,LIPhy);Elettra-Sincrotrone Trieste(的里雅斯特电子同步加速器)
利用彭宁电离电子-离子符合谱研究氦纳米液滴内水团簇的电离机制,发现液滴抑制碎片化并稳定完整团簇离子,量子化学计算支持低温下质子转移和半键构象共存。
2026-06-02 physics.chem-ph
Plasma-activation of tap water using DBD for agronomy applications: Identification and quantification of long lifetime chemical species and production/consumption mechanisms
冷大气等离子体(CAP)是可以在环境空气中产生的弱电离气体。它们产生高能物质(例如电子、可电离物质)以及活性氧物质、活性氮物质、UV辐射和局部电场。因此,它们与自来水等液体的相互作用可以改变其化学成分。由此产生的“等离子体活化液体”可以满足许多应用,包括医学和农业。因此,一套完整的实验分析技术,专门用于表征长寿命的化学物种已经实施,以表征自来水处理使用CAP工艺和农艺应用。为此,进行比色法和酸滴定,考虑到酸碱平衡、pH值和等离子体活化期间诱导的温度变化。对16种物质进行定量和监测:氢氧根和水合氢离子、氨和铵离子、正磷酸盐、碳酸盐离子、亚硝酸盐和硝酸盐离子以及过氧化氢。讨论了相关的消费/生产机制。同时,基于Kohlrausch定律的电导率的化学模型已经被开发用于模拟等离子体活化的自来水(PATW)的电导率。将其预测与实验测量进行比较会导致窄拟合,因此支持实验集的自给自足。最后,为了评估冷大气等离子体在农业应用中的潜力,每天对自来水进行等离子体处理以灌溉扁豆种子。结果表明,活化3天和6天后,幼苗的生长量分别比未活化的自来水增加了34.0%和128.4%。讨论了等离子体和自来水之间的相互作用机制以及它们对农艺效果的正协同作用。
2018-02-06 physics.app-ph physics.chem-ph physics.plasm-ph
Dissolving salt is not equivalent to applying a pressure on water
盐水无处不在,在地质和生理过程中起着至关重要的作用。尽管经过了几个世纪的研究,水的结构是否会因溶解的离子而发生剧烈变化仍然存在争议。基于密度泛函理论,我们采用基于分子动力学的机器学习来模拟不同浓度的氯化钠、氯化钾和溴化钠溶液。由此产生的倒数空间结构因子同意定量与中子衍射数据。在这里,我们提供了明确的证据表明,盐水中的离子不会像纯净水对高压的反应那样扭曲水的结构。相反,计算出的结构变化被限制到离子的第一溶剂化壳侵入的氢键网络,超过该网络的氧的径向分布函数不发生重大变化相对于纯净水。我们的研究结果表明,广泛引用的Hofmeister系列离子溶液中的溶剂上的压力样效应应仔细重新审视。
2022-02-10 physics.chem-ph physics.comp-ph
Exploring the Impact of Ions on Oxygen K-Edge X-ray Absorption Spectroscopy in NaCl Solution using the GW-Bethe-Salpeter-Equation Approach
该研究结合深度学习路径积分分子动力学与 GW-BSE 方法计算 NaCl 溶液的氧 K 边 XAS,揭示离子对导致激子局域化,且其氢键影响主要限于第一水合壳层。
2023-11-02 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.chem-ph
Conformer-specific polar cycloaddition of dibromobutadiene with trapped propene ions
Diels-Alder环加成反应是合成环状有机化合物的有效途径。长期以来,人们一直在讨论这些反应是通过逐步机制还是协同机制进行的。在这里,我们采用了一种新的实验方法来探索模型极性环加成的2,3-二溴-1,3-丁二烯与丙烯离子的机制细节,通过探测其在气相中的单碰撞条件下的入口通道的构象特异性。结合构象控制的分子束与捕获的离子,我们发现,这两种构象的二烯,gauche和s-反式,是反应的捕获限制反应速率。借助量子化学和量子捕获计算,这一发现是合理的协调和逐步反应途径的同时竞争,揭示了一个有趣的机制边界的情况下。
2021-07-29 physics.chem-ph
Water-induced formation of an alkali-ion dimer in cryptomelane nanorods
隧道金属氧化物,如$α-$ Mn $_8$ O $_{16}$(硬锰矿)已被证明是高密度电池中电荷存储材料的令人信服的候选物。特别地,隧道可以支持K $^+$离子(其充当结构稳定掺杂剂)和H $_2$ O分子的一维链,因为这些链受到强氢键和静电相互作用的青睐。在这项工作中,我们研究了水分子在提高K $^+$掺杂的$α-$ Mn $_8$ O $_{16}$(锰钾矿)的稳定性中的作用。结合实验和理论分析表明,对于足够高的水和隧道离子的浓度,H $_2$ O取代K $^+$离子从他们的自然结合位点。由于K $_2^+$二聚体的形成,这种置换在能量上变得有利,从而改变了系统的化学计量电荷。这些发现对于考虑将锰钾矿用作Li $^+$ /Na $^+$电池电极具有潜在的重大技术意义。我们的工作确立了水在改变锰钾矿的能量学和结构性质方面的功能作用,这一观察结果在以前的研究中经常被忽视。
2020-07-22 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Microscopic dynamics of charge separation at the aqueous electrochemical interface
本文采用分子模拟和重要抽样方法研究了液态水-金属界面离子电荷分离的热力学和动力学。我们用两类不同离子的典型例子来考虑这个过程:一个是简单的碱金属-卤化物对,Na $^+$ I $^-$,或称经典离子;另一个是水的自电离产物,H $_3$ O $^+$ OH $^-$,或称水离子。我们发现,对于这两种离子类,电荷分离的微观机制,包括水的集体作用的过程中,是保守的散装液体和电极界面之间。尽管如此,该过程的热力学和动力学细节在这两种环境之间以取决于离子类型的方式不同。在经典离子对的情况下,电荷分离的较高自由能势垒和界面处该势垒上的较小通量导致解离速率相对于本体慢40倍。对于水离子,一个稍高的自由能势垒是由一个较高的通量从较长寿命的氢键模式在界面上的障碍,导致在一个速率的协会,是类似的界面处和远离。我们发现,电荷分离的速率和稳定性的这些差异是由于水的溶剂化和重组的金属界面附近的改变的能力。
2017-03-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Nernst-Planck transport theory for (reverse) electrodialysis: II. Effect of water transport through ion-exchange membranes
水通过离子交换膜的传输对于电渗析(ED)和反向电渗析(RED)都是重要的。在这项工作中,我们扩展了我们以前的理论[J. Membrane Sci.,510,(2016)370-381],并包括用于(R)ED的二维模型中的水传输。遵循Maxwell-Stefan(MS)方法,膜中的离子与水、孔壁和彼此具有摩擦。我们表明,当离子-离子摩擦被忽略,MS-方法是等效的流体动力学理论的受阻运输,例如应用到纳米过滤。在对文献中ED和RED的实验数据进行验证后,该模型被用来分析单程海水ED和RED与高浓度溶液。在该模型中,膜中水和离子的通量和速度作为驱动力的函数自洽地计算。我们调查的影响,水和coion泄漏在不同的操作条件下。
2017-02-22 cond-mat.soft physics.chem-ph
Polarizable Mean-Field Model of Water for Biological Simulations with Amber and Charmm force fields
虽然今天有大量的水的计算模型,但大多数当前的生物模拟都是用简单的模型完成的,例如TIP 3 P和SPC,它们是近30年前开发的,从那时起只进行了轻微的修改。原因在于,主要用于描述蛋白质和其他生物分子的非极化力场与更复杂的现代水的极化模型不兼容。问题是电子极化率:在液态、蛋白质和真空中,水分子的极化不同,因此具有不同的性质;因此,用同一模型描述所有这些不同介质的唯一方法是使用可极化水模型。然而,为了与系统的其余部分(例如蛋白质)的力场兼容,后者也应该是可极化的。在这里,我们描述了一种新的水模型,是在效果极化,但与标准的非极化力场,如琥珀,CHARMM,GROMOS,OPLS等兼容,因此该模型解决了突出的问题不兼容。
2015-05-05 physics.chem-ph
On the free energy of ionic hydration
离子的水合自由能表现出近似二次依赖于离子电荷,如玻恩模型预测。我们用二阶微扰理论分析了这种行为。这为平衡态计算机模拟计算自由能提供了有效的方法。在带电自由能的泰勒展开式中,带电点处的静电势的平均值和涨落作为第一系数出现。结合来自不同电荷状态的数据允许计算作为离子电荷的函数的自由能分布。自由能分布的前两个泰勒系数可以从等容模拟中精确计算,但它们受到强烈的系统尺寸依赖性的影响。我们通过使用埃瓦尔德晶格求和和一致地添加自相互作用来对这些有限尺寸效应进行校正。结果与甲烷样的Lennard-Jones参数在SPC水的模型离子。我们发现两个非常密切的二次政权不同的参数为正离子和负离子。我们还研究了钾、钙、氟、氯和溴离子的水合自由能。我们发现负离子溶剂化更强烈的正离子相比,相同的大小,与实验数据一致。我们将负离子的这种偏好归因于它们与水氢的强相互作用,在所使用的模型中,水氢可以穿透离子范德华壳层而没有直接的能量损失。我们还发现在水中不带电的Lennard-Jones粒子的中心有一个正的静电势,这有利于负离子。关于有限系统尺寸效应,我们表明,即使只使用16个水分子,如果考虑自相互作用,也可以准确地计算钠的水合自由能。
1995-05-24 chem-ph physics.chem-ph
Stochastic density functional theory for ions in a polar solvent
针对现有电解质随机密度泛函理论忽略溶剂极性的问题,研究从微观原理推导了适用于极性溶剂中离子的显式SDFT理论,计算相关可观测量并明确了各因素对电解质动力学的影响,为理解离子与环境涨落的耦合提供支撑。
2025-03-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Polarizable Molecular Simulations Reveal How Silicon-containing Functional Groups Govern the Desalination Mechanism in Nanoporous Graphene
我们报告了分子动力学(MD)模拟研究反渗透脱盐使用纳米多孔单层石墨烯钝化SiH $_2$和Si(OH)$_2$功能团。建立了一个高精度、精细化的可极化分子力学力场模型,用于模拟各种尺寸和几何形状的石墨烯纳米孔。模拟的水通量和离子排斥率的解释使用详细的原子机制来自模拟轨迹的分析。我们的主要发现是:(1)Si(OH)$_2$孔由于Cl $^-$离子的选择性静电排斥而具有优异的离子截留率,但Na $^+$离子被吸引到孔中并阻止水传递。(2)相比之下,SiH $_2$孔通过基于其水合层的尺寸和柔性排除离子的空间机制来操作。(3)在没有离子的情况下,水通量是成正比的孔隙内的溶剂可访问的区域,然而,模拟通量低于从最近的实验工作推断。我们还提出了一些假设,可以解决模拟和实验之间的差异。
2018-04-09 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Probing aqueous interfaces with spin defects
The University of Chicago(芝加哥大学);Tandon School of Engineering, New York University(纽约大学坦登工程学院);Argonne National Laboratory(阿贡国家实验室)
利用量子传感器研究水界面的微观特性,通过噪声光谱技术揭示界面水和离子对自旋退相干的影响。
2025-07-01 physics.chem-ph quant-ph
Gaussian field model for polar fluids as a function of density and polarization: toward a model for water
本文研究了一种简单的极性流体模型,即基于超密度和极化的高斯场模型。这是一个方便的框架来实现相关液体的介电性质,源于分子之间的纳米相关性。它允许研究密度和极化之间的耦合项对流体结构的影响。尽管这种模型的简单性,它可以捕捉到一些有趣的功能,如准谐振纵向介电磁化率或存在两个最大值的结构因子的响应函数的水。水的显式模型产生极高的计算成本和隐式模型有时不能正确处理静电相互作用。因此,高斯场论可能是描述水的一个有趣的替代方案。
2017-11-07 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Diffusion-Oscillatory Dynamics in Liquid Water on Data of Dielectric Spectroscopy
A.M. Prokhorov General Physics Institute, Russian Academy of Sciences(俄罗斯科学院A.M.普罗霍罗夫普通物理研究所);Physical Department, M.V. Lomonosov Moscow State University(莫斯科国立大学物理系)
研究通过介电光谱数据揭示液态水的弛豫共振特性,提出基于粒子扩散的水结构模型,首次将直流电导率、德拜松弛和红外吸收峰联系起来,揭示水分子和离子的寿命特征。
2016-06-20 cond-mat.soft physics.chem-ph