Новости химической науки > Квантовая модель предсказывает строение поверхности воды

Национальная физическая лаборатория и Национальный Институт Измерений Великобритании совместно с IBM и Эдинбургским Университетом использовали новую квантовую модель для того, чтобы смоделировать состояние поверхности жидкой воды.

Граница раздела «жидкая вода – пары воды» является одной из самых распространенных гетерогенных систем. Понимание того, как организована жидкая поверхность воды, может оказаться полезным для более детального понимания сложных взаимодействий в ряде биохимических процессов. Тем не менее, экспериментальное изучение молекулярной структуры поверхности воды представляет собой непростую задачу, а ряд существующих в настоящее время теоретических моделей предлагает принципиально различные варианты решения этой задачи.

На рисунке отображена электронная плотность границы раздела фаз «жидкая вода – газ», обусловленная разнообразной ориентацией молекул воды на поверхности. (Рисунок из Phys. Chem. Chem. Phys., 2015; 17 (14): 8660)

Сотрудничество Национальной физической лаборатории, IBM и Университета Эдинбурга посвящено созданию систем, позволяющих осуществлять более точное и более интуитивное моделирование строения и свойств новых и хорошо известных материалов. Основой для такой предсказательной способности являются новые алгоритмы квантово-химических расчетов.

Модель основана на особенностях поведения заряженной частицы – квантовом осцилляторе Друде [quantum Drude oscillator (QDO)], имитирующем флуктуации электронов в настоящей молекуле воды, являющиеся результатом ее окружения. Эта модель позволяет учесть взаимодействия, которые невозможно применить для классических моделей, и точно описывает свойства молекул воды в жидком состоянии.

Модель QDO была использована для моделирования молекулярной структуры поверхности воды. Результаты позволяют определить новую топологию водородного связывания в поверхностном слое воды, и именно этот тип сетки водородных связей отвечает за необычно высокое поверхностное натяжение воды.

Исследование является первым примером применения модели QDO к границе раздела жидкость-пар. Полученные результаты позволяют ученым идентифицировать явную асимметрию водородных связей, отвечающих за ориентацию молекул. Новая модель также справилась с предсказанием типа зависимости поверхностного натяжения от температуры – спрогнозированные результаты согласуются с экспериментальными в пределах ошибок в 1%.

Источник: Phys. Chem. Chem. Phys., 2015; 17 (14): 8660 DOI: 10.1039/C4CP05506C

метки статьи: #квантовая химия, #межмолекулярные взаимодействия, #физическая химия