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1、第16卷 第4期计算机与应用化学Vol116,No141999年7月28日ComputersandAppliedChemsitryJuly,1999·研究论文·不同温度下水的分子动力学模拟周健 陆小华 王延儒 时钧(南京化工大学化学工程系 南京 210009)摘 要 采用分子动力学(MD)模拟的方法对不同温度下水的氢键结构及扩散性质进行了研究。模拟发现随温度的升高,水分子平均氢键配位数减小,氢键键角分布变宽,键角分布峰值减小,即水分子间氢键作用不断减弱。扩散系数随温度的增加而上升,液体水的扩散系数与温度之间的关系符合Arrhenius行为
2、。关键词 水,氢键,扩散系数,分子动力学(MD),分子模拟中图号 O645116MOLECULARDYNAMICSSIMULATIONOFWATERATDIFFERENTTEMPERATURESZHOUJianLUXiao2HuaWANGYan2RuSHIJun(DepartmentofChemicalEngineering,NanjingUniversityofChemicalTechnology,Nanjing210009)ABSTRACTThehydrogenbondstructureanddiffusionbehaviorofwa
3、teratdifferenttemperatureswereinvestigatedbyMDsimulation.Withtheincreaseoftemperature,theaveragehydrogenbondcoordinationnumberofwaterdecreaseswhilethedistributionofhydrogenbondanglesbroadensandthepeakvalueofhydrogenbondanglesreduces,i.e.,thehydrogenbondinteractionbetweenw
4、atermoleculesdecreases.TherelationshipbetweenthediffusioncoefficientsofwaterandtemperatureisingoodaccordancewithArrheniusbehavior.KEYWORDSWaterHydrogenbond,Diffusioncoefficient,Moleculardynamics(MD),Molecularsimulation 在化学、生物、地质、海洋等许多学科领域中,都涉及到水溶液问题。水还是化工生产过程中最常用的溶剂以及许多化
5、学反应的介质。但对这一最常用的溶剂的微观结构及其不同寻常的理化特性仍然不是很清楚,而无论开发和设计低能耗、无污染的化工分离工艺,还是开发和设计高新技术含量高的新产品,研[1]究水溶液的氢键结构正起着越来越大的作用。近年来,采用分子动力学(MD)模拟技术在取得溶液的[2,3]平衡、结构及动态性质等方面正起着越来越关键的作用。在许多实际化工生产过程中,操作温度范围可以从零度以下的低温一直到几百度的高温,因此,对不同温度下的水进行MD模拟是很有意义的。1 位能[4] 对于水分子,其位能模型既可以由量子力学从头计算(Abinitio))获得,如
6、MCY模型;又可以由[5][6][7]半经验方法关联获得,如ST2、SPC、TIP4P等模型。MCY模型由于其形式过于复杂,需要消耗大量的机时,因此在实际模拟过程中研究者大多采用半经验模型。[6]本文选取SPC(SimplePointCharge)模型作为模拟所用位能。其位能形式如下,126qAqBσσuij(rij)=∑∑+4εr-r(1)A∈iB∈jrABOOOO式中前半部分为静电作用,后半部分为短程Lennard2Jones(LJ)作用,SPC模型假设只有氧原子与氧原子之间存在LJ作用。uij为分子对作用位能,A,B分别表示原子A,
7、B对分子i,j作循环,qA、qB为收修改稿日期:99-05-09江苏省自然科学基金(BK971241)资助项目联系人:陆小华1第一作者,周健,男,26岁,博士242计算机与应用化学16卷A、B原子所带电荷,rAB为原子A,B间距离,rOO为两个分子的氧原子间作用距离,σ,ε为氧原子LJ作用参数。rOH为O2H键键长,∠HOH为H2O2H键角。其参数值见表1。表1SPC水模型参数Table1PotentialparametersofSPCwaterrOH(nm)∠HOH(°)ε/k(K)σ(nm)q(O)(e)#q(H)(e)SPC0111
8、091477811820131656-01820141-19#/e=116×10C 模拟中由于位能的截断,能量将在边界处不连续,会导致Hamiltonian函数不守恒。为克服该问题,[8]本
