从水分子快速时间尺度的再取向动力学预测氢键强度
化学物理
2026-02-03 v1 无序系统与神经网络
软凝聚态物质
统计力学
计算物理
摘要
采用路径积分分子动力学模拟和基于电子结构能量分解分析（EDA）的方法，探讨氢键（H-bond）强度、其非对称性以及水/空气界面总域能与可实验测量的可观测量（如再取向动力学和sum-frequency generation（SFG）光谱）之间的关系。利用SFG光谱对水/空气界面不同层进行分析，我们验证了模拟结果的准确性，并报告了从界面到bulk的红移，以及在距离bulk最近的那一层约3250 cm处的强结合水峰。水分子再取向动力学从界面到bulk逐渐减慢，这与SFG结果相吻合。基于绝对局域分子轨道的EDA结果显示，总域能从bulk到界面显著下降，以及最强的供体和受体相互作用的强度也下降。两种最强相互作用之间的非对称性同样向界面方向增加，而来自外部溶剂壳的相互作用重要性大大降低，低于此前报告的水平。最后我们发现，最强H-bond供体/受体的强度与自相关函数中类似L2带弛豫运动的局部最低值密切相关。基于此，我们提出了一种简单且定量的关系，将H-bond强度与水/空气界面短时间尺度的再取向动力学联系起来，这可能拓展到从可实验获取的可观测量预测其他疏水性系统中的H-bond强度。
引用
@article{arxiv.2602.00311,
title = {Predicting the hydrogen bond strength from water reorientation dynamics at short timescales},
author = {Frederik Zysk and Ana Vila Verde and Naveen K. Kaliannan and Kristof Karhan and Thomas D. Kühne},
journal= {arXiv preprint arXiv:2602.00311},
year = {2026}
}