Structure, Dynamics and Thermodynamics of Liquid Water : Insights from Molecular Simulations

• Main Author: Wikfeldt, Kjartan Thor
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Stockholms universitet, Fysikum 2011
• Subjects: Liquid water; supercooled water; diffraction; structure modeling; molecular dynamics; x-ray spectroscopy; EXAFS; SAXS; Physics; Fysik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:su:diva-56711; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:978-91-7447-287-5

Water is a complex liquid with many unusual properties. Our understanding of its physical, chemical and biological properties is greatly advanced after a century of dedicated research but there are still many unresolved questions. If answered, they could have important long-term consequences for practical applications ranging from drug design to water purification. This thesis presents results on the structure, dynamics and thermodynamics of liquid water. The focus is on theoretical simulations applied to interpret experimental data from mainly x-ray and neutron scattering and spectroscopy techniques. The structural sensitivity of x-ray and neutron diffraction is investigated using reverse Monte Carlo simulations and information on the pair-correlation functions of water is derived. A new method for structure modeling of computationally demanding data sets is presented and used to resolve an inconsistency between experimental extended x-ray absorption fine-structure and diffraction data regarding oxygen-oxygen pair-correlations. Small-angle x-ray scattering data are modeled using large-scale classical molecular dynamics simulations, and the observed enhanced scattering at supercooled temperatures is connected to the presence of a Widom line emanating from a liquid-liquid critical point in the deeply supercooled high pressure regime. An investigation of inherent structures reveals an underlying structural bimodality in the simulations connected to disordered high-density and ordered low-density molecules, providing a clearer interpretation of experimental small-angle scattering data. Dynamical anomalies in supercooled water observed in inelastic neutron scattering experiments, manifested by low-frequency collective excitations resembling a boson peak, are investigated and found to be connected to the thermodynamically defined Widom line. Finally, x-ray absorption spectra are calculated for simulated water structures using density functional theory. An approximation of intra-molecular zero-point vibrational effects is found to significantly improve the relative spectral intensities but a structural investigation indicates that the classical simulations underestimate the amount of broken hydrogen bonds. === Vatten är en komplex vätska med flera ovanliga egenskaper. Vår förståelse av dess fysiska, kemiska och biologiska egenskaper har utvecklats mycket sedan systematiska vetenskapliga studier började genomföras för mer än ett sekel sedan, men många viktiga frågor är fortfarande obesvarade. En ökad förståelse skulle på sikt kunna leda till framsteg inom viktiga områden så som medicinutveckling och vattenrening. Denna avhandling presenterar resultat kring vattnets struktur, dynamik och termodynamik. Fokusen ligger på teoretiska simuleringar som använts för att tolka experimentella data från huvudsakligen röntgen- och neutronspridning samt spektroskopier. Den strukturella känsligheten i röntgen- och neutrondiffraktionsdata undersöks via reverse Monte Carlo metoden och information om de partiella parkorrelationsfunktionerna erhålls. En ny metod för strukturmodellering av beräkningsintensiva data presenteras och används för att lösa en motsägelse mellan experimentell diffraktion och EXAFS angående syre- syre parkorrelationsfunktionen. Data från röntgensmåvinkelspridning modelleras med storskaliga klassiska molekyldynamiksimuleringar, och den observerade förhöjda småvinkelspridningen vid underkylda temperaturer kopplas till existensen av en Widomlinje härrörande från en vätske- vätske kritisk punkt i det djupt underkylda området vid höga tryck. En undersökning av inherenta strukturer i simuleringarna påvisar en underliggande strukturell bimodalitet mellan molekyler i oordnade högdensitetsregioner respektive ordnade lågdensitetsregioner, vilket ger en tydligare tolkning av den experimentella småvinkelspridningen. Dynamiska anomalier i underkylt vatten som har observerats i inelastisk neutronspridning, speciellt förekomsten av lågfrekventa excitationer som liknar en bosontopp, undersöks och kopplas till den termodynamiskt definierade Widomlinjen. Slutligen presenteras densitetsfunktionalberäkningar av röntgenabsorptionsspektra för simulerade vattenstrukturer. En approximation av intramolekylära nollpunktsvibrationseffekter förbättrar relativa intensiteteri spektrumen avsevärt, men en strukturanalys visar att klassiska simuleringar av vatten underskattar andelen brutna vätebindningar. === At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 6: Submitted. Paper 7: Submitted. Paper 8: Manuscript. Paper 9: Submitted.