分子匹配叠合及两种冰的结构异同

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2013-08-20 18:47:50 初稿

2013-08-30 18:26:50 修订错误

最近完成了两个小工具,一个可用于两个分子内原子之间的一一匹配,另一个可用于将两个已匹配好原子的分子进行最佳叠合。对于前者,若是不依赖于一些先验的知识或是采用近似,其实是个NP问题,原子个数一多就很难求解了。对于后者,倒是存在很简洁的方法。

既然有了工具,那就拿最熟悉的水/冰来小试牛刀了。

冰的两种常见结构为六方Ih和立方Ic,自然界所见冰皆为六方Ih结构。普通冰具有二者的混合结构。

上图两种冰并非Ih结构和Ic结构,一种为单斜结构,一种为立方结构。

这两种冰的结构上看起来有很大不同,但是其基本结构—水分子的四面体结构有什么区别呢?这些区别又是如何引起大的结构不同呢?让我们把它们各自的四面体结构抽取出来,再叠合到一起,就能一目了然了。为便于区别,下图中立方结构比冰下图中冰Ic的氢(H)替换为碳(C)。

先看第一溶剂化层。中心水分子形成四条氢键,其周围的氧原子完全重合,四个水分子中有两个是完全重合的,另外两个水分子,稍有区别,它们的氢原子相对于氧原子的角度相差大约56度。

这56度的区别,到了第二溶剂化层引起了更大的不同。

在第二溶剂化层,中心四面体每个顶点周围又形成三条氢键。对于原来重合的顶点,其连接的三水分子中有一个重合,另两个的区别与第一溶剂化层相同。对于原来稍有区别的两个顶点,其连接的三个水分子大约旋转了60度,正好互相错开。

可见,第一溶剂化层的水分子第二个氧氢键取向的稍微差别,引起了第二溶剂化层水分子取向的更大差别,这些差别一层一层累积下去,最终使得两种冰的宏观结构出现了很大差异。虽说不是“差之毫厘,谬以千里”,区别之大却也有目共睹。纵观人事,亦如是也。虽有良策,执行不力,层层矫之,达于庶民,便成下策。若不察,何足道哉!

上面两种冰的晶体结构取自于Material Studio 5.0自带的结构文件Ice_hex.msi和Ice_cub.msi。由于过于信任软件,未加详查,便以为常见冰的结构文件,以致张冠李戴。具体来说,Ice_cub.msi对应的是5 K时的冰I,空间群号为36;Ice_hex.msi为单斜晶体,空间群号9,对应高压下冰的一种结构。特志之,以为来者鉴。

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