H$_2$O 吸附分子在 Ice Ih(0001) 表面扩散的长时标模拟

利用自适应动力学蒙特卡洛方法和 TIP4P/2005f 相互作用势函数，在 100 至 200 K 的温度范围内，对 H$_2$O 吸附分子在冰 Ih (0001) 基面上的扩散进行了长时标模拟。悬垂 H 原子的排布从质子无序表面变化到完全有序的 Fletcher 表面。研究发现存在多种位点，导致两类表面的吸附能分布广泛。在质子无序表面上，高达 4% 的位点其吸附能超过了冰 Ih 的内聚能。对于质子无序表面，175 K 下模拟轨迹的均方位移给出的扩散系数为 6$\cdot$10$^{-10}$ cm$^2$/s，与先前实验测量报告的上限一致。模拟过程中发现悬垂 H 原子发生重排以减少团簇，从而趋近于线性的 Fletcher 型排布。估计在完全有序的 Fletcher 表面上的扩散速度显著更快，尤其是在沿悬垂氢原子行的方向上。根据全温度范围的模拟，估计平行和垂直于行方向的扩散有效活化能分别为 0.16 eV 和 0.22 eV。即使对 Fletcher 表面的行结构造成轻微破坏，也会使扩散变为各向同性。