Введение 3
Глава 1. Краткий обзор современного состояния моделирования эффектов изотопного замещения водород- дейтерий в молекуле воды 5
Глава 2. Методика исследования 6
2.1. Рассмотренные модели молекулы воды 6
2.2. Методика моделирования 8
2.3. Физические характеристики, рассчитанные по итогам моделирования . 8
Глава 3. Влияние изотопного замещения водород- дейтерий на микроструктуру и подвижность молекул воды в широком диапазоне температур 11
3.1. Плотность модельной воды 11
3.2. Микроструктура молекулы воды 12
3.3. Самодиффузия 14
3.4. Вращательная переориентация молекулы воды 16
Выводы 20
Список литературы 21
Приложения 23
Изотопное замещение широко используется в экспериментальных методиках, в частности, в ядерном магнитном резонансе, как один из способов получить дополнительную информацию о структуре и молекулярной подвижности изучаемых систем. Однако, эксперимент позволяет получить только усредненные характеристики молекулярной системы. Это обусловлено тем, что молекулы в жидких фазах крайне подвижны, так как испытывают вращательное и поступательное движения, а многоатомные молекулы испытывают к тому же и конформационные переходы, и интерпретация экспериментально полученных величин приводит к необходимости использования модельных предположений о строении вещества. При этом не всегда представляется возможным независимо подтвердить или опровергнуть некоторые из модельных предположений, что приводит к существенным различиям в результатах, полученными разными авторами.
В качестве дополнения к экспериментальным методам целесообразно использовать компьютерное моделирование [1], которое позволяет получить детальную информацию о пространственной структуре молекул и их эволюции, и, в частности, метод молекулярной динамики [2]. Однако, многие методологические вопросы, имеющие отношение к моделированию эффектов изотопного замещения, не решены до сих пор. Например, для такой широко используемой системы как молекула воды, несмотря на многообразие существующих модельных представлений, проблема описания эффекта изотопного замещения протон-дейтерий не исследовалась систематически. В частности, не рассматривалось влияние изменения температуры системы на микроструктуру и молекулярную подвижность модельной воды. Один из основных нерешенных вопросов - является ли изменение массы водорода в существующих моделях молекулы воды достаточным, или же требуется корректировка других параметров?
В данной работе с помощью метода молекулярной динамики подробно рассмотрено влияние изотопного замещения протон- дейтерий на структурные и кинетические характеристики трех широко распространенных моделей молекулы воды (SPC/E [3], SPC-Fw [4] и TIP5P [5]) моделей молекулы воды в широком диапазоне температур. Основное внимание было уделено анализу изменений молекулярной подвижности при замещении атома водорода на дейтерий.
В данной работе с помощью метода молекулярной динамики было рассмотрено влияние изотопного замещения протон - дейтерий на характеристики модельной воды в широком диапазоне температур. Для расчета плотности использование SPC/E и SPC-Fw приводит к лучшему согласию с экспериментальными данными в случаях H2O и D2O, чем TIP5P модель. В интервале температур от 283 до 363 K отличие расчетных значений для модели SPC/E от экспериментальных для H2O составляет не более 1%. Модель TIP5P дает заниженную плотность (разница свыше 6%) для всего спектра исследуемых температур. Для расчета функций радиального распределения изменение массы атома водорода не приводит к сколько- нибудь заметным различиям в микроструктуре молекулы воды для SPC-Fw и TIP5P моделей. Значения функций радиального распределения для трех рассмотренных моделей различаются незначительно, и происходят их качественно верные изменения с ростом температуры. Коэффициенты самодиффузии D2O ниже, чем у H2O не более, чем на 15%, согласие с экспериментальными данными показывают SPC/E и SPC-Fw модели. Данные, полученные с использованием TIP5P, значительно завышены относительно экспериментальных. Значения времен корреляции вращательных переориентаций для TIP5P сильно завышены относительно остальных моделей. При более высоких температурах, начиная с 298 K, все из представленных моделей совпадают с незначительной погрешностью. Очевидно, что нецелесообразно использование TIP5P модели в связи с тем, что данная модель позволяет получить значения, несогласованные с множеством экспериментальных (за исключением функций радиального распределения).
