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Competing quantum effects in the dynamics of a flexible water model

分子间力 量子 物理 水二聚体 量子动力学 量子隧道 放松(心理学) 量子涨落 分子内力 偶极子 扩散 零点能量 化学 动态结构因子 谐振子 分子动力学 水模型 热力学 点粒子 统计物理学 量子力学 密度矩阵 结构因子
作者
Scott Habershon,Thomas E. Markland,David E. Manolopoulos
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:131 (2): 024501-024501 被引量:577
标识
DOI:10.1063/1.3167790
摘要

Numerous studies have identified large quantum mechanical effects in the dynamics of liquid water. In this paper, we suggest that these effects may have been overestimated due to the use of rigid water models and flexible models in which the intramolecular interactions were described using simple harmonic functions. To demonstrate this, we introduce a new simple point charge model for liquid water, q-TIP4P/F, in which the O-H stretches are described by Morse-type functions. We have parametrized this model to give the correct liquid structure, diffusion coefficient, and infrared absorption frequencies in quantum (path integral-based) simulations. The model also reproduces the experimental temperature variation of the liquid density and affords reasonable agreement with the experimental melting temperature of hexagonal ice at atmospheric pressure. By comparing classical and quantum simulations of the liquid, we find that quantum mechanical fluctuations increase the rates of translational diffusion and orientational relaxation in our model by a factor of around 1.15. This effect is much smaller than that observed in all previous simulations of empirical water models, which have found a quantum effect of at least 1.4 regardless of the quantum simulation method or the water model employed. The small quantum effect in our model is a result of two competing phenomena. Intermolecular zero point energy and tunneling effects destabilize the hydrogen-bonding network, leading to a less viscous liquid with a larger diffusion coefficient. However, this is offset by intramolecular zero point motion, which changes the average water monomer geometry resulting in a larger dipole moment, stronger intermolecular interactions, and a slower diffusion. We end by suggesting, on the basis of simulations of other potential energy models, that the small quantum effect we find in the diffusion coefficient is associated with the ability of our model to produce a single broad O-H stretching band in the infrared absorption spectrum.
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