1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Коллоидный журнал
  4. T. 85, № 4, 2023

Коллоидный журнал, 2023, T. 85, № 4, стр. 526-548

Молекулярное моделирование структуры воды в узких щелевых порах

Ю. Д. Фомин 1, *, Е. Н. Циок 1, С. А. Бобков 2, В. Н. Рыжов 1

1 Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина РАН
108840 Москва, Троицк, Калужское шоссе, стр. 14, Россия

2 Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”, Федеральный центр коллективного пользования научным оборудованием “Комплекс моделирования и обработки данных исследовательских установок мега-класса”
123182 Москва, площадь Академика Курчатова, дом 1, Россия

* E-mail: fomin314@mail.ru

Поступила в редакцию 10.05.2023
После доработки 20.06.2023
Принята к публикации 20.06.2023

Аннотация

В настоящей работе методами молекулярно-динамического моделирования изучается структура воды в узких щелевых порах. Рассматриваются поры с расстоянием между стенками от 6.2 до 15.5 Å. Структуры воды, полученные спонтанной кристаллизацией при охлаждении до Т = 300 К, расшифровываются на основе двумерных и трeхмерных параметров порядка. Показано, что наблюдаемые структуры можно описать, как срезы ГЦК или ГПУ кристаллов.

Список литературы

  1. Mansoori G.A., Rice S.A. Advanced in Chemical Physics. Confined Fluids: Structure, Properties and Phase Behavior. New York, 2015. https://doi.org/10.1002/9781118949702.ch5

  2. Vishnyakov A., Neimark A.V. Specifics of freezing of Lennard-Jones fluid confined to molecularly thin layers // J. Chem. Phys. 2003. V. 118. № 16. P. 7585. https://doi.org/10.1063/1.1560938

  3. Takaiwa D., Hatano I., Koga K., Tanaka H. Phase diagram of water in carbon nanotubes // PNAS. 2008. V. 105. № 1. P. 39–43. https://doi.org/10.1073/pnas.0707917105

  4. Pugliese P., Conde M.M., Rovere M., Gallo. P. Freezing temperatures, ice nanotubes structures, and proton ordering of TIP4P/ICE water inside a single wall carbon nanotubes // J. Phys. Chem. B. 2017. V. 121. № 45. P. 10371–10381. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.7b06306

  5. Fomin Yu. D. Molecular dynamics simulation of benzene in graphite and amorphous carbon slit pore // J. Comput. Chem. 2013. V. 34. № 30. P. 2615–2624. https://doi.org/10.1002/jcc.23429

  6. Fomin Yu.D., Tsiok E.N., Ryzhov V.N. The behavior of benzene confined in a single wall carbon nanotube // J. Comput. Chem. 2015. V. 36. № 12. P. 901–906. https://doi.org/10.1002/jcc.23872

  7. Fomin Yu.D., Tsiok E.N., Ryzhov V.N. The behavior of cyclohexane confined in slit carbon nanopore // J. Chem. Phys. 2015. V. 143. P. 184702. https://doi.org/10.1063/1.4935197

  8. Логунов М.А., Калиничев А.Г., Писарев В.В. Структура углеводородной жидкости и течения Куэтта в щелевых порах со стенками из пирофиллита // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2022. Т. 64. С. 470–480. https://doi.org/10.31857/S2308112022700262

  9. Pisarev V.V., Kalinichev A.G. Couette flow of pentane in clay nanopores: Molecular dynamics simulation // Journal of Molecular Liquids. 2022. V. 366. P. 120290. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2022.120290

  10. Shchukin I.A., Fomin Yu.D. Crystal structure of a system with three-body interactions in strong confinement // Results in Physics. 2022. V. 34. P. 105239. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2022.105239

  11. Stillinger F.H., Weber Th.A. Computer simulation of local order in condensed phases of silicon // Phys. Rev. B. 1985. V. 31. № 8. P. 5262. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.31.5262

  12. Pansu B., Pieranski P., Strzelecki L. Thin colloidal crystals: a series of structural transitions // Journal de Physique. 1983. V. 44. № 4. P. 531–536. https://doi.org/10.1051/jphys:01983004404053100

  13. Murray Ch.A., Grier D.G. Video microscopy of monodisperse colloidal systems // Annual Review of Physical Chemistry. 1996. V. 47. P. 421–462. https://doi.org/10.1146/annurev.physchem.47.1.421

  14. Pansu. B., Pieranski Pi., Pieransli Pa. Structures of thin layers of hard spheres: High pressure limit // Journal de Physique. 1984. V. 45. № 2. P. 331–339. https://doi.org/10.1051/jphys:01984004502033100

  15. Fomin Yu.D. Between two and three dimensions: Crystal structures in a slit pore // J. Colloid and Interface Science. 2020. V. 580. P. 135–145. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2020.06.046

  16. Iakovlev E., Zhilyaev P., Akhatov. I. Atomistic study of the solid state inside graphene nanobubbles // Scientific Reports. 2017. V. 7. P. 17906.

  17. Zamborlini G., Imam M., Patera L.L. et al. Nanobubbles at GPa pressure under graphene // Nano Letters. 2015. V. 15. № 9. P. 6162– 6169. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b02475

  18. Fomin Yu.D., Gribova N.V., Ryzhov V.N., Stishov S.M., Frenkel D. Quasibinary amorphous phase in a three-dimensional system of particles with repulsive-shoulder interactions // J. Chem. Phys. 2008. V. 129. № 6. P. 064512. https://doi.org/10.1063/1.2965880

  19. Gribova N.V., Fomin Yu.D., Frenkel D., Ryzhov V.N. Waterlike thermodynamic anomalies in a repulsive-shoulder potential system // Phys. Rev. E. 2009. V. 79. P. 051202. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.79.051202

  20. Fomin Yu.D., Tsiok E.N., Ryzhov V.N. Complex phase behavior of the system of particles with repulsive shoulder and attractive well // J. Chem. Phys. 2011. V. 134. № 4. P. 044523. https://doi.org/10.1063/1.3530790

  21. Dudalov D.E., Fomin Yu.D., Tsiok E.N., Ryzhov V.N. Melting scenario of the two-dimensional core-softened system: first-order or continuous transition? // Journal of Physics: Conference Series. 2014. V. 510. P. 012016. https://doi.org/10.1088/1742-6596/510/1/012016

  22. Dudalov D.E., Fomin Yu.D., Tsiok E.N., Ryzhov V.N. Effect of a potential softness on the solid−liquid transition in a two-dimensional core-softened potential system // J. Chem. Phys. 2014. V. 141. № 18C522. https://doi.org/10.1063/1.4896825

  23. Kryuchkov N.P., Yurchenko S.O., Fomin Yu.D., Tsiok E.N., Ryzhov V.N. Complex crystalline structures in a two-dimensional core-softened system // Soft Matter. 2018. V. 14. № 11. P. 2152–2162. https://doi.org/10.1039/C7SM02429K

  24. Dudalov D.E., Fomin Yu.D., Tsiok E.N., Ryzhov V.N. How dimensionality changes the anomalous behavior and melting scenario of a core-softened potential system? // Soft Matter. 2014. V. 10. № 27. P. 4966. https://doi.org/10.1039/C4SM00124A

  25. Tsiok E.N., Fomin Yu.D., Ryzhov V.N. The effect of confinement on the solid–liquid transition in a core-softened potential system // Physica A. 2020. V. 550. P. 124521. https://doi.org/10.1016/j.physa.2020.124521

  26. Fomin Yu.D., Teslyuk A.B. The structure of a core-softened system in a narrow-slit pore // Physics and Chemistry of Liquids. 2022. V. 60. № 6. P. 809–826. https://doi.org/10.1080/00319104.2022.2053973

  27. Фомин Ю.Д., Циок Е.Н., Рыжов В.Н. Структура системы сглаженных коллапсирующих сфер в сильном конфайнменте // Коллоидный журнал. 2022. Т. 84. № 6. С. 809–826.

  28. Yeh In-Ch., Berkowitz M.L. Ewald summation for systems with slab geometry // J. Chem. Phys. 1999. V. 111. № 7. P. 3155–3162. https://doi.org/10.1063/1.479595

  29. Algara-Siller G., Lehtinen O., Wang F.C., Nair R.R., Kaiser U., Wu H.A., Geim A.K., Grigorieva I.V. Square ice in graphene nanocapillaries // Nature. 2015. V. 519. P. 443–445. https://doi.org/10.1038/nature14295

  30. Kumar P., Buldyrev S.V., Starr F.W., Giovambattista N., Stanley H.Eu. Thermodynamics, structure, and dynamics of water confined between hydrophobic plates // Phys. Rev. E. 2005. V. 72. № 5. P. 051503. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.72.051503

  31. Han S., Choi M.Y., Kumar P., Stanley H.Eu. Phase transitions in confined water nanofilms // Nature Physics. 2010. V. 6. P. 685–689. https://doi.org/10.1038/nphys1708

  32. Zubeltzu J., Artacho E. Simulation of water nano-confined between corrugated planes // J. Chem. Phys. 2017. V. 147. № 19. P. 194509. https://doi.org/10.1063/1.5011468

  33. Mahoney M.W., Jorgensen W.L. A five-site model for liquid water and the reproduction of the density anomaly by rigid, nonpolarizable potential functions // J. Chem. Phys. 2000. V. 112. № 20. P. 8910–8922. https://doi.org/10.1063/1.481505

  34. Abascal J.L.F., Vega C. A general purpose model for the condensed phases of water: TIP4P/2005 // J. Chem. Phys. 2005. V. 123. № 23. P. 234505. https://doi.org/10.1063/1.2121687

  35. Sanz E., Vega C., Abascal J.L.F., MacDowell L.G. Phase Diagram of Water from Computer Simulation // Phys. Rev. Lett. 2004. V. 92. № 25. P. 255701. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.92.255701

  36. Vega C., Abascal J.L.F., Sanz E., MacDowell L.G., McBride C. Can simple models describe the phase diagram of water? // Journal of Physics: Condensed Matter. 2005. V. 17. № 45. P. S3283–S3288. https://doi.org/10.1088/0953-8984/17/45/013

  37. Steinhardt P.J., Nelson D.R., Ronchetti M. Bond-orientational order in liquids and glasses // Phys. Rev. B. 1983. V. 28. № 2. P. 784. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.28.784

  38. Halperin B.I., Nelson D.R. Theory of two-dimensional melting // Phys. Rev. Lett. 1978. V. 41. № 2. P. 121. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.41.121

  39. Nelson D.R., Halperin B.I. Dislocation-mediated melting in two dimensions // Phys. Rev. B. 1979. V. 19. № 5. P. 2457. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.19.2457

  40. Thompson A.P., Aktulga H.M., Berger R. et al. LAMMPS − a flexible simulation tool for particle-based materials modeling at the atomic, meso, and continuum scales // Computer Physics Communications. 2022. V. 271. P. 108171. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2021.108171

  41. Chou T., Nelson D.R. Buckling instability of a confined colloid crystal // Phys. Rev. E. 1993. V. 48. № 6. P. 4611. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.48.4611

  42. Hirata M., Yagasaki T., Matsumoto M., Tanaka H. Phase diagram of TIP4P/2005 water at high pressure // Langmuir. 2017. V. 33 № 42. P. 11561–11569. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.7b01764

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Коллоидный журнал

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал