增强离子缺陷形成以通过分子动力学模拟研究冰 Ih/XI 相变

冰 Ih 是生物圈中常见的冰形态，具有质子无序性。其质子有序对应相冰 XI 在 72 K 以下热力学稳定。然而，即使低于此温度，冰 XI 的形成也受动力学阻碍，实验中通过向冰中掺杂 KOH 获得。掺杂产生离子缺陷，促进质子迁移及相关的质子构型变化。在本文中，我们利用增强离子缺陷形成的偏置势，在分子动力学模拟中模拟掺杂效应。由此形成的离子复合通过氢氧根快速迁移进行，并导致质子沿氢键环跳跃。这提供了一种物理且快捷的改变质子构型及加速质子构型空间扩散的方法。该方法的一个关键要素是使用密度泛函理论数据训练且能模拟分子解离的机器学习势。我们通过使用适当的序参量区分冰 Ih 与 XI 中的质子环境，以研究有序-无序相变，例证了这一想法的实用性。我们计算了与该相变相关的自由能、焓和熵的变化。我们估算的熵在计算的误差范围内与实验一致。