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Molecular dynamics simulation of the ice nucleation and growth process leading to water freezing

分子动力学 化学物理 成核 冰核 结晶 氢键 过冷 水模型 冰晶 相变 结晶水 分子 相(物质) 热力学 材料科学 化学 物理 气象学 计算化学 有机化学
作者
Masakazu Matsumoto,Shinji Saito,Iwao Ohmine
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:416 (6879): 409-413 被引量:957
标识
DOI:10.1038/416409a
摘要

Upon cooling, water freezes to ice. This familiar phase transition occurs widely in nature, yet unlike the freezing of simple liquids, it has never been successfully simulated on a computer. The difficulty lies with the fact that hydrogen bonding between individual water molecules yields a disordered three-dimensional hydrogen-bond network whose rugged and complex global potential energy surface permits a large number of possible network configurations. As a result, it is very challenging to reproduce the freezing of 'real' water into a solid with a unique crystalline structure. For systems with a limited number of possible disordered hydrogen-bond network structures, such as confined water, it is relatively easy to locate a pathway from a liquid state to a crystalline structure. For pure and spatially unconfined water, however, molecular dynamics simulations of freezing are severely hampered by the large number of possible network configurations that exist. Here we present a molecular dynamics trajectory that captures the molecular processes involved in the freezing of pure water. We find that ice nucleation occurs once a sufficient number of relatively long-lived hydrogen bonds develop spontaneously at the same location to form a fairly compact initial nucleus. The initial nucleus then slowly changes shape and size until it reaches a stage that allows rapid expansion, resulting in crystallization of the entire system.
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