2013-12-01 18:09:38
前面的博文中我曾提及冰的晶体结构, 但没有重点说明, 此博文中我将稍详细地介绍冰的晶体结构并给出我所查到的cif文件, 以备建模使用.
水及冰的结构化学远比想象的复杂, 水的相图或许是被人们研究最多的一种, 这从冰众多的名目约略可以知道, Ih, Ic, II, III, IV, V, …IX. 想要初步了解, 可参考周公度的一篇中文介绍文章, 水结构与科学可算作是网络版的水百科全书, 研究水不可不知.
冰有20余种结构形式, 通常以罗马数字加后缀的形式作标记, 罗马数字后面的h和c分别表示六方和立方晶系, 如Ih, Ic等. 其中冰Ih最为常见, 自然界所见的冰都是Ih结构, Ic结构的只在很低温度下存在.
在冰Ih中, 每个O原子的周围都有呈四面体状配位的4个O, O-O键长约2.76 Å, 在O-O连线上只有一个H原子, 键长约O–0.96 Å– H–1.80 Å–O. 对于O原子周围的H原子, 其分布既可以是无序的, 也可以是有序的. 若H原子分布无序, 则一个O周围分布有4个占位度为0.5的H原子, 此时结构的对称性较高, 空间群为P63/mmc(#194); 若H原子分布有序, 则一个O周围有两个H, 空间群为P63cm(#185).
查ICSD-2009, 收录了多种冰的结构, 对Ih和Ic也收录了几种. 查COD, 收录的冰很少, 且其中的data_1011023与ICSD重复. 但收录了D2O的一份数据, 这是ICSD所没有的. 下面三幅图分别是冰Ih及Ic的结构, 对应的cif文件见附件.
做与冰相关的分子动力学模拟时, 经常需要构建冰Ih的模型. 然而由于冰Ih中的H原子处于无序状态, 确定每个H原子的隶属并构建出合理的冰模型并不容易. 其中主要考虑的是要满足ice rule. 一种可用的方法可参考这篇论文, 利用文中的方法可获得不同温度下冰Ih的模型以用于MD模拟.
2015-07-28 10:34:27 补充
关于模拟中使用的冰的模型, 最近看到了引用较多的两篇文章:
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J. A. Hayward and J. R. Reimers, Unit cells for the simulation of hexagonal ice.
详细讨论了如何得到不同约束条件下冰的结构, 并给出了几个常用Ih结构的坐标文件, 可用于快速搭建冰的模型. 这些模型都是正交晶系, 使用比较方便. 我在下面的附件中给出了相应的XYZ文件, 以方便使用.
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V. Buch, P. Sandler and J. Sadlej, Simulations of H2O Solid, Liquid, and Clusters, with an Emphasis on Ferroelectric Ordering Transition in Hexagonal Ice
论文给出了一种创建冰模型的MC方法, 比较简单, 能用于创建任意大小的冰模型, 适合自己编程使用.
附件
评论
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2015-04-02 13:29:17
sickle请问附件的cif文件并没有看到链接啊？跪求冰的cif，谢谢 -
2015-04-02 13:31:09
sickle或者麻烦您发到我的邮箱banimakaohun@163.com， 非常感谢！ -
2015-04-02 13:31:52
sickle主要是ICSD上好像已经搜不到H2O的模型了…… -
2015-04-03 04:43:38
Jerkwin我把文件放上去了, 你下载试试吧.
