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Simulation amorpher Eisphasen
Martin Jehser
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Betreuer*in
Gerhard Zifferer
Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30282.95568.515565-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract
(Deutsch)
In dieser Arbeit wurden mittels Molekulardynamiksimulationen Strukturen der hochdichten amorphen Eisphase HDA untersucht. Eine Analyse zur Fähigkeit der Wiedergabe von Eigenschaften von HDA wurden hierbei für die meisten gebräuchlichen Wassermodelle mit starren Bindungen und Winkeln durchgeführt, sowie für drei flexibler Kraftfeldvarianten. Die dabei verwendeten Kraftfelder mit starren Bindungen und Winkeln waren: SPC/E, TIP3P, TIP4P, die TIP4P Varianten TIP4P/ICE und TIP4P/2005 sowie TIP5P. Wassermodelle mit flexiblen Bindungen und Winkeln waren TIP4P/2005f (mit einem Morse-Bindungspotential und einem harmonischen Winkelpotential) sowie SPC/E* und TIP3P* die flexiblen Varianten von SPC/E und TIP3P mit harmonischen Bindungs- und Winkelpotentialen. Insbesondere wurde der Glasübergang zwischen HDA und HDL, das heißt zwischen hochdichter amorpher und hochdichter flüssiger Phase studiert. Weiters wurde eine Analyse der strukturellen Eigenschaften von HDA in Abhängigkeit verschiedener Amorphisationsmethoden durchgeführt. Hierfür wurden Ausgangssysteme durch Temperatur- oder Druckamorphisierung von Eis Ih oder durch stochastisches Anordnen von Wassermolekülen hergestellt. Alle untersuchten Kraftfelder zeigten einen Glasübergang; offensichtlich handelt es sich somit bei HDA um einen amorphen Tieftemperaturvertreter einer hochdichten Flüssigkeit. Ein Vergleich der Glasübergangstemperaturen erhalten aus Enthalpie und mittlerem Verschiebungsquadrat für TIP3P, TIP4P Varianten und TIP5P zeigte einen Anstieg in der genannten Reihenfolge. Die Ergebnisse für SPC/E waren für alle untersuchten Größen vergleichbar mit denen des TIP4P/2005 Kraftfeldes. Das TIP3P Kraftfeld war nicht in der Lage die experimentelle Dichte von HDA zu reproduzieren. TIP5P zeigte im Bereich des Glasübergangs bedingt durch das Auftreten eines Dichtemaximums ein thermisches Ausdehnungsverhalten, das nicht mit den anderen getesteten Kraftfeldern übereinstimmt. Die Glasübergangstemperaturen der flexiblen Kraftfelder lagen aufgrund der zusätzlichen molekularen Freiheitsgrade höher als die ihrer starren Gegenstücke. Alles in allem zeigten die flexiblen Modelle keinen nennenswerten Vorteil gegenüber den Kraftfeldern mit starren Bindungen und Winkeln, der den größeren komputativen Aufwand rechtfertigen würde. Die Größe der Simulationsbox zeigte keinen Einfluss auf die Lage der Glasübergangstemperaturen. Allerdings war eine deutliche Reduktion der Streuung einzelner Datenpunkte bei der Analyse der Dichte (als Funktion der Temperatur) aufgrund besserer Statistik über größere Molekülzahlen zu verzeichnen. Eine Box mit 2048 Molekülen und einer Kantenlänge von 3.70 bis 3.76 nm (je nach Kraftfeld bei 80 K) scheint, auch in Bezug auf den Cut off Radius von 1.25 nm, ein guter Kompromiss zu sein. Die Untersuchung der unterschiedlichen Amorphisationsmethoden ergab keinen erkennbaren Unterschied in den erhaltenen Glasübergangstemperaturen. Eine Analyse der Struktur ergab ebenfalls keinen Unterscheid zwischen den Systemen. Die erwartete Erzeugung von uHDA (unannealed HDA, experimentell druckamorphisiertes Eis Ih) durch Druckamorphisierung konnte in der Simulation nicht bestätigt werden. Die Ergebnisse deuteten eher das Entstehen von VHDA (very high density amorphous ice) an, welches durch Tempern zu einer Struktur relaxiert wurde, die dem stochastisch erzeugten oder durch Temperaturamorphisierung hergestellten System entspricht.
Abstract
(Englisch)
In the present master thesis, the glass transition temperature and structure of high density amorphous ice (HDA) have been studied. An investigation of the ability to reproduce certain properties of HDA for the most commonly used rigid force fields and three force fields with flexible bond and angle potentials has been carried out. Particularly the glass transition from HDA to a high density liquid HDL has been studied. For the calculations the SPC/E, TIP3P, TIP4P, TIP4P variants TIP4P/ICE and TIP4P/2005, the flexible TIP4P/2005f with morse type bond potential and a harmonic angle potential as well as the flexible forms TIP3P* and SPC/E*, of TIP3P and SPC/E with harmonic bond and angle potentials have been used. In addition an analysis of the structural properties of HDA subjected to different amorphisation methods has been carried out. For this purpose simulation boxes have been created either by pressure or temperature induced amorphisation of ice Ih or by random placement of water molecules. All examined force fields yielded a glass transition temperature, and therefore connect the solid amorphous state with the high density liquid form of water (HDL). Comparison of the glass transition temperatures yielded by enthalpy and mean square displacement of the oxygen atoms for TIP3P, TIP4P variants and TIP5P revealed an increase in the given order. The results for the SPC/E force field for all evaluated properties were found to be in the same region as those of the TIP4P/2005 model. The TIP3P force field has not been able to reproduce the experimental density of HDA. In the glass transition region the TIP5P model revealed a thermal expansion behaviour with a maximum in density that could not be found applying any of the other studied force fields. In comparison to the rigid force fields the flexible water models yielded higher glass transition temperatures due to an increase of degrees of freedom. But due to the overall very similar results compared to the rigid models the higher computational cost could not be justified. The obtained glass transition temperatures were found to be independent of the chosen size of the simulation box, although an increase of the box size reduced the scattering of density data points by means of better statistical evaluation due to the higher number of molecules. It turned out that a box size of 3.70 to 3.76 nm (corresponding to 2048 H2O molecules at 80 K depending on the force field used) is a reasonable compromise on computational effort and accuracy. The different amorphisation methods yielded no significant difference in the glass transition temperature as well as in the structure. The expected formation of a structure similar to uHDA (unannealed HDA) by pressure amorphisation could not be confirmed. The results for pressure amorphisation indicate a VHDA (very high density amorphous ice) like system that transformed to a HDA like structure upon thermal relaxation in good agreement to the stochastically produced structure as well as the system produced by temperature amorphisation.

Schlagwörter

Schlagwörter
(Englisch)
simulation of water glass transition HDA
Schlagwörter
(Deutsch)
Molekuradynamik Wassersimulation HDA
Autor*innen
Martin Jehser
Haupttitel (Deutsch)
Simulation amorpher Eisphasen
Paralleltitel (Englisch)
Simulation of amorphous ice phases
Publikationsjahr
2014
Umfangsangabe
VIII, 73 S. : graph. Darst.
Sprache
Deutsch
Beurteiler*in
Gerhard Zifferer
Klassifikationen
35 Chemie > 35.06 Computeranwendungen ,
35 Chemie > 35.10 Physikalische Chemie: Allgemeines
AC Nummer
AC12023187
Utheses ID
28317
Studienkennzahl
UA | 066 | 862 | |
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