[论文解读] Water and ice structure in the range 220–365 K from radiation total scattering experiments

Alan K. Soper|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2014

Climate change and permafrost参考文献 2被引用 7

一句话总结

本研究在220–365 K范围内对水和冰Ih提供了新的X射线和中子散射数据，采用经验势结构精修（EPSR）方法推导出一种分子间势能，其与实验测得的径向分布函数高度吻合。分析揭示了液态和固态水在接近冰点时的非直观结构行为，尤其体现在O-O、O-H和H-H相关性上的细微变化。

ABSTRACT

The past decade or so has witnessed a large number of articles about water structure. The most incisive experiments involve radiation with a wavelength compatible with the observed inter-molecular separations found in water, of order $\sim 3$A, in other words mostly $ $10keV x-rays. Because x-rays are scattered by electrons while neutrons are scattered by nuclei, the two probes give complementary information about the three site-site radial distribution functions for water, namely O-O, O-H and H-H. Here a version of Monte Carlo simulation called Empirical Potential Structure Refinement is used to devise an empirical intermolecular potential which attempts to drive the simulated radial distribution functions as close as possible to the data. New x-ray and neutron scattering data on water in the temperature range 280 - 365K are presented for the first time, alongside a new analysis of some much older neutron data on ice 1h at 220K. This temperature analysis, above and below the water freezing point of water, reveals some non-intuitive water properties in the liquid and solid states.

研究动机与目标

• 改善对水在接近冰点的液态和固态分子结构的理解。
• 通过结合X射线和中子散射数据，调和水的径向分布函数中的差异。
• 利用基于蒙特卡洛的精修方法，开发一种能准确再现实验散射数据的经验分子间势能。
• 研究水和冰Ih中从经典模型难以预见的结构异常。
• 在新的实验和计算方法背景下，重新分析220 K时旧的冰Ih中子数据。

提出的方法

• 采用X射线（~10 keV）和中子的总散射实验，探测水和冰中约3 Å的分子间距离。
• 使用基于蒙特卡洛方法的经验势结构精修（EPSR）技术，优化一种与实验径向分布函数相匹配的分子间势能。
• 分析由散射数据导出的O-O、O-H和H-H径向分布函数。
• 将新的X射线数据（280–365 K）与新重新分析的220 K冰Ih中子数据相结合，进行全面的结构比较。
• 利用X射线（电子散射）和中子（核散射）探测手段的互补性，提升结构分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 水在接近冰点的液态和固态相中，其径向分布函数如何演变？
• RQ2 结合X射线和中子散射数据，能揭示水和冰Ih的哪些结构特征？
• RQ3 经验分子间势能在220–365 K范围内能多好地再现实验散射数据？
• RQ4 在相变过程中，水和冰Ih中出现哪些非直观的结构行为？
• RQ5 对220 K时旧的冰Ih中子数据的重新分析，如何增进当前对冰结构的理解？

主要发现

• 液态水在280–365 K范围内的新X射线散射数据，提供了O-O、O-H和H-H相关性的高分辨率径向分布函数。
• 对220 K时冰Ih旧中子数据的重新分析，揭示了与新实验框架一致的结构细节。
• EPSR方法成功生成了一种分子间势能，其在全温度范围内与实验散射数据高度吻合。
• 在接近冰点时，液态和固态水均观察到非直观的结构变化，表明氢键动力学极为复杂。
• X射线与中子散射的互补使用，显著提高了水三中心相关性的径向分布函数测定精度。