Surface Isotope Segregation as a Probe of Temperature in Water Nanoclusters

• Autores: Videla, Pablo Ernesto; Rossky, Peter J.; Laria, Daniel Hector
• Año de publicación: 2014
• Idioma: inglés
• Tipo de recurso: artículo
• Materia: Path Integrals; Isotope Effects; Nuclear Quantum Fluctuations; Ring Polymer Molecular Dynamics
• Institución: Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas

Using ring polymer molecular dynamics simulations, we examine equilibrium and dynamical characteristics of solid-like, aqueous clusters that combine isotopic mixtures of HDO dilute in H2O, at temperatures intermediate between 50 and 175 K. In particular, we focus attention on the relative thermodynamic stabilities of the two isotopes at dangling hydrogen bond sites. The water octamer is analyzed as a reference system. For this aggregate, decreasing temperature yields a gradual stabilization of the light isotope at dangling sites in molecules acting as single-donor-double-acceptors of hydrogen bonds. At T ∼ 50 K, the imbalance between the corresponding quantum kinetic energies leads to a free energy difference between dangling and hydrogen bonded sites of the order of ∼2kBT. Similar free energy differences were found at dangling sites in Nw = 50 water clusters. The extent of the H/D segregation can be adequately monitored by modifications in the peak intensity of the high frequency shoulder of the stretching band of the infrared spectrum. These signals, in turn, represent a potential experimental signature of the elusive temperature of clusters in molecular beams.
Fil: Videla, Pablo Ernesto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina
Fil: Rossky, Peter J.. University of Texas at Austin; Estados Unidos
Fil: Laria, Daniel Hector. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentina