常见冰的晶体结构及其cif文件

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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).

Ih, 秦善.《结构矿物学》, 北京大学出版社, 2011

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.

Ih-185

Ih-194

Ic

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:

  1. 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.

  2. 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.

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