Anomalien und lokale Struktur von flüssigem Wasser vom Siedepunkt bis zum überkühlten Bereich, wie vom Many-Body MB-pol Modell vorhergesagt

Seit 50 Jahren suchen Forscher nach molekularen Modellen, die die mikroskopische Struktur und die thermophysischen Eigenschaften von Wasser über breite Bereiche seines komplexen Phasendiagramms genau reproduzieren können. Hier werden molekulare Dynamik-Simulationen mit dem Many-Body MB-pol Modell durchgeführt, um die thermodynamischen Reaktionsfunktionen und die lokale Struktur von flüssigem Wasser vom Siedepunkt bis zu tief überkühlten Temperaturen bei Umgebungsdruck zu überwachen. Die isotherme Kompressibilität und die isobare Wärmekapazität zeigen Maxima bei etwa 223 K, was hervorragende Übereinstimmung mit aktuellen Experimenten aufweist, und die Flüssigkeitsdichte zeigt ein Minimum bei ∼208 K. Eine lokale tetrahedrale Anordnung, bei der jedes Wassermolekül zwei Wasserstoffbrücken akzeptiert und spendet, wird als die wahrscheinlichste Wasserstoffbrücken-Topologie bei allen Temperaturen gefunden. Diese Arbeit legt nahe, dass MB-pol eine prädiktive Fähigkeit für Studien zu den physikalischen Eigenschaften von flüssigem Wasser über breite Bereiche von thermodynamischen Zuständen bieten kann, einschließlich des sogenannten "Niemandslandes" von Wasser, das experimentell schwer zu erkunden ist.