Dissecting the THz spectrum of liquid water from first principles via correlations in time and space

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作者
Matthias Heyden,Jian Sun,Stefan Funkner,Gerald Mathias,Harald Forbert,Martina Havenith,Dominik Marx
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:107 (27): 12068-12073 被引量:424
标识
DOI:10.1073/pnas.0914885107
摘要

Solvation of molecules in water is at the heart of a myriad of molecular phenomena and of crucial importance to understanding such diverse issues as chemical reactivity or biomolecular function. Complementing well-established approaches, it has been shown that laser spectroscopy in the THz frequency domain offers new insights into hydration from small solutes to proteins. Upon introducing spatially-resolved analyses of the absorption cross section by simulations, the sensitivity of THz spectroscopy is traced back to characteristic distance-dependent modulations of absorption intensities for bulk water. The prominent peak at ≈200 cm -1 is dominated by first-shell dynamics, whereas a concerted motion involving the second solvation shell contributes most significantly to the absorption at about 80 cm -1 ≈2.4 THz. The latter can be understood in terms of an umbrella-like motion of two hydrogen-bonded tetrahedra along the connecting hydrogen bond axis. Thus, a modification of the hydrogen bond network, e.g., due to the presence of a solute, is expected to affect vibrational motion and THz absorption intensity at least on a length scale that corresponds to two layers of solvating water molecules. This result provides a molecular mechanism explaining the experimentally determined sensitivity of absorption changes in the THz domain in terms of distinct, solute-induced dynamical properties in solvation shells of (bio)molecules—even in the absence of well-defined resonances.

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