水团簇最低平衡结构的结构与能量稳定性

在本工作中，使用 TIP4P 经典力场的人工蜂群算法对 20 种不同尺寸的水团簇的低能结构进行了广泛搜索。为了获得最低平衡几何构型，我们选取 10 个最低构型进行密度泛函理论进一步优化。所得结构的能量低于先前报道的结果。使用多种描述符研究了这些团簇的结构与能量稳定性，包括结合能、电离势、碎片化能、一级和二级能量差、振动光谱和光学光谱。能量分析表明 N = 4, 8, 12, 14, 16 和 19 的团簇更稳定。碎片化能的分析也支持这些发现。我们的计算表明非共价相互作用在稳定水团簇中起重要作用。水团簇的红外光谱显示三个不同的波段：分子间 O...H 振动，23 至 1191 cm$^{-1}$；分子内 H-O-H 弯曲振动，1600 至 1741 cm$^{-1}$；O-H 伸缩振动，3229 至 3877 cm$^{-1}$。最强强度出现在低频对称伸缩模式中，同时伸缩振动出现明显的红移。光学带隙范围为 7.14 eV 至 8.17 eV，位于紫外区域。吸收光谱还显示 n≥10 的团簇出现谱线展宽，导致光谱线数量增加。有趣的是，只有稳定团簇表现出最大振荡强度，所有情况下的第一激发态均对应 $\pi$-to-$\sigma^*$ 跃迁。