冰氢键的振动特性研究

目前发现冰有十五种冰相，是相图最丰富的物质。氢键是冰和水结构的主要结合形式。尽管实验已发现冰Ih、Ic相及非晶冰的中子散射谱中的氢键振动为较强的双峰，而冰VIII、VII相的中子散射谱中的氢键振动表现为较弱的单峰，但由于低频数据分析困难及缺少成功理论拟合，对双峰和单峰的各自形成机制尚未有统一的认识。本项目利用发展的第一性原理方法，对冰Ih、Ic、VIII、VII等典型冰相进行基态计算及第一性原理的分子动力学研究，通过对基态结构、能量和动力学振动特性等物理特性的研究，力求找出氢键振动双峰和单峰的各自形成机理。在此基础上，找出冰的氢键结构与氢键振动峰之间的普遍关系，同时对比硫化氢等相关计算结果，从而更好的理解水相比于同族氢化物的异常特性。本项目的研究将有助于揭示冰的氢键本质，并为研究水、水与生物分子的相互作用等提供参考。

根据原定课题研究计划，本课题顺利取得了预期研究成果。我们通过摸索找到了冰的低频双振动峰本质；揭示了不同冰相的振动谱与冰相结构之间的普适关系；找到了冰的熔沸点较硫化氢高的原因；研究了固态硫化氢不同相的振动谱与相结构之间的关系。研究成果主要包括：1）应用第一性原理的选择分子动力学方法，并结合速度自相关函数方法，使冰Ih中的一个氢原子分别平行于和垂直于氢键轴进行运动，进而模拟得到了上述两种情况下的低频振动谱中都有双振动峰的存在，因此证明了Renker等人观点的错误性。我们利用一种全新的方法找到了双振动峰的本质。2）通过应用第一性原理的分子动力学方法，对冰Ih、VIII、X、XI、XIV、XV六种冰相做了振动谱模拟分析并得到结论，一种长度的氢键必定在低频振动区域产生两个振动峰，若该冰相有多种长度的氢键，则会形成多个双振动峰的叠加。3) 应用第一性原理的分子动力学方法对固态硫化氢和二聚体(H2S)2做了振动谱模拟，通过对比冰Ih和二聚体(H2O)2的振动谱，得出硫化氢的氢键强度远远小于冰的氢键强度的结论，因而可以成功解释冰的熔沸点高于硫化氢的原因。4)应用第一性原理的分子动力学方法，对常压下固态H2S的相I、相II和相III分别做了振动谱模拟。通过振动谱的分析得出同冰类似的结论，即一种长度的氢键将在低频振动范围产生双振动峰的理论，并找出了固态硫化氢振动谱与相结构之间的关系。本项目的研究结果使得我们对冰的氢键特性、振动特性有了全新的理解，为水与其他物质的相互作用机制研究提供了重要依据。目前本项目已经在Chem. Phys. Lett.等刊物发表SCI论文3篇，培养硕士生3名，达到了本项目的预期目标。