半经验量子化学方法在液态水上的基准测试
计算物理
2025-03-18 v1 软凝聚态物质
统计力学
生物物理
化学物理
摘要
受非共价相互作用的半经验量子化学（SQC）方法重新受到关注及近期发展的启发，我们通过分子动力学（MD）模拟研究了环境条件下液态水的性质，既使用了传统的 NDDO 型（双原子微分重叠忽略）方法（如 AM1 和 PM6），也使用了 DFTB 型（密度泛函紧束缚）方法，如 DFTB2 和 GFN-xTB。除原始参数集外，我们还考虑了一些专门针对从分子团簇到体相的各种较小水系统进行重参数化的 SQC 方法（分别记为 AM1-W、PM6-fm 和 DFTB2-iBi）。这些不同的 SQC 方法描述环境条件下液态水性质的质量通过与成熟的实验数据以及基于 BLYP-D3 密度泛函理论的从头算 MD 模拟进行比较来评估。我们的分析表明，所有被考察的 SQC 方法在原始参数下均无法很好地描述体相水的静态和动力学性质，无论其底层理论模型如何，大多数方法由于氢键过弱而预测出过于流动的、氢键动力学严重畸变的水。另一方面，重参数化的力匹配 PM6-fm 方法被证明能够定量复现液态水的静态和动态特征，因此可作为需要扩展长度和时间尺度的、基于电子结构的 MD 模拟的计算高效替代方案。DFTB2-iBi 预测了具有降低流动性的略微过度结构化水，而 AM1-W 则给出了环境条件下水的无定形冰状结构。
引用
@article{arxiv.2503.11867,
title = {Benchmarking semi-empirical quantum chemical methods on liquid water},
author = {Xin Wu and Hossam Elgabarty and Vahideh Alizadeh and Andres Henao and Frederik Zysk and Christian Plessl and Sebastian Ehlert and Jürg Hutter and Thomas D. Kühne},
journal= {arXiv preprint arXiv:2503.11867},
year = {2025}
}
备注
14 pages, 8 figures