1.简介
水是地球水圈和生物的主要组成部分。它形成不同的液体形式,如气溶胶和20种不同的固态冰相。水对所有已知的生命形式都是必不可少的,它与最重要的生物物质如蛋白质、DNA和多糖,影响蛋白质折叠,DNA基本配对以及其他关键现象。
对冰的第一次结构研究可能是开普勒于1611年发表的论文《论六角雪花》(Hoinkes,1967)). 他用圆形炮弹的排列比喻来解释不同形状雪花的形成,即冰晶(六角冰I小时在现代术语中)。下一个重大突破是通过对布拉格斯和马克斯·冯·劳厄(Röntgen,1898)的研究实现的)冰晶的X射线衍射的一些最早应用(Rinne,1917).
目前已知20种不同的固态冰晶体形式(参见支持信息)以及两种非晶固体形式(卓别林,2019). 其中,可以区分三个亚稳相(冰IV、冰XII和冰XVII)。氢原子在其他八个相(冰II、VIII、IX、X、XI、XIII、XIV、XV)中有序,共有九个相观察到无序氢(冰I小时,我c(c),我标准偏差、III、V、VI、VII、XVI、XVII)。冰X不被认为是无序相,因为氢原子位于氧原子的中间。冰I标准偏差是一种堆积无序的冰I(马尔金等。, 2014). 然而,据信存在更多冰相(Hansen,2021; 约瓦诺维奇等。, 2020; Militzer&Wilson,2010年; 得到等。, 2021; 普拉卡彭卡等。, 2021; 朱等。, 2020; 格兰德等。, 2022). 由于氢原子对中子的衍射比X射线更强烈,所以冰结构的准确测定主要是使用中子衍射进行的。然而,X射线衍射(XRD)更容易获得,使用更小的样品,需要更短的测量时间。在本文中,我们使用最新开发的方法,测试了利用XRD准确测定冰结构的可能性,该方法大大提高了氢原子结构参数(Capelli等。, 2014; 温斯卡等。, 2016, 2021; 乔德凯维奇等。, 2020; 桑胡安·斯克拉茨等。, 2020)并将其应用于冰VI的研究。
Kamb(1965)首次描述了冰VI的结构)后来卡吉证实了它在地球上以钻石包裹体的形式存在等。(2000). 这是室温下存在的最低高压冰相,含有无序氢原子(Kuhs等。, 1984). 冰VI的结构已通过中子粉末衍射(Kuhs等。, 1984; 萨尔兹曼等。, 2016; 福特斯等。, 2012)和中子单晶衍射(Ahsbahs等。, 1990; 库斯等。, 1989, 1996). 最近,在常规衍射仪(小松)上对冰VI进行了X射线单晶测量等。, 2011)报道了高压冰(包括冰VI)的近红外光谱等。, 2021). 还描述了冰VI(以及冰XV和XIX)的非弹性中子谱(Rosu-Finsen等。, 2020). 对于某些高压相,高温无序相和有序低温相之间存在对应关系,导致试图预测冰VI有序类似物的结构(Knight&Singer,2005; 风扇等。, 2010; Kuo&Kuhs,2006年). 此外,发现冰VI、XV(Salzmann等。, 2009)和XIX(Gasser等。, 2021一, 2018; 山根等。, 2021; 萨尔兹曼等。, 2021). 而无序相VI、有序相XV和部分有序相XIX形成了一类冰结构家族,其中从有序到有序、从有序到无序以及从无序到有序的转变是可能的(Gasser等。, 2021b条). 结构变形被认为是冰XIX的主要结构特征(萨尔兹曼等。, 2021).
尽管许多冰相的晶体结构已经知道多年了,但仍需要氢的准确位置以及氢键参数来准确预测可能的相变,这一信息主要是通过密度泛函理论(DFT)(Fan等。, 2010; Kuo&Kuhs,2006年; 勃兰登堡等。, 2015; 蒲原等。, 2012; 肖等。, 2020). 研究侧重于特定目标,例如创建高效算法来生成氢键排列(松本等。, 2021, 2018),并试图根据第一原理预测水的完整相图(Reinhardt&Cheng,2021; 卢等。, 2020). 然而,确定冰结构中无序氢原子的真实位置和描述其热运动仍然是一个挑战。在无机物中沉积的23种固体冰结构中晶体结构数据库(Hellenbrandt,2004)在7种结构中,未确定H/D原子的位置,在10种结构中仅细化了H/D的各向同性位移参数。冰中原子的位移参数不仅受热效应的影响。取向无序也可能导致原子位置的不确定性。这既适用于氢原子,也适用于氧原子。由取向无序引起的位移用球谐函数(Nelmes等。, 1998).
现代结构冰研究的一个重大局限性与以下事实有关:大多数多形冰可以通过压力变化获得。这些压力需要使用金刚石压砧(DAC)。不幸的是互易空间DAC大大减少了从这些实验中获得的信息量(可用反射的数量)。因此,此类实验通常表现出较低的数据完整性。
虽然XRD是常规测量中使用最广泛的衍射技术,但它并不是冰相研究的首选方法。XRD测定共价键对于有机分子来说,氢原子的长度通常短10-15%(Woin ska等。, 2016; 桑胡安·斯克拉茨等。, 2020)氢置换参数仅以各向同性形式确定。这主要是由于氢原子的X射线散射功率相对较低,以及常用的独立原子模型(IAM)的局限性,IAM假设原子电子密度为球对称。更先进的模型结合了非球面原子电子密度,可以更精确地确定氢原子的位置和热参数。最有希望的方法之一是希什菲尔德原子精炼(HAR)(卡佩利等。, 2014; Jayatilaka&Dittrich,2008年). 它基于电子密度的量子力学计算。该模型中的原子形状因子是根据原子对通过应用Hirshfeld分区获得的电子密度的贡献来计算的(Hirshfeld,1977),但也可以使用其他分区(Chodkiewicz等。, 2020). 然后在最小二乘中进一步使用形状因子精炼得到了改进的结构。接下来,随着计算的电子密度提供进一步的原子形状因子集,达到收敛的点,该过程继续进行(见图1).
| 图1 HAR程序的方案。 |
还有其他适用于推导氢原子结构参数的方法。可转移非球面原子模型(TAAM)利用了原子电子密度的可转移性概念(Brock等。, 1991)用Hansen–Coppens多极模型表示。极端定域分子轨道库(ELMOs)(Meyer&Genoni,2018; Macetti&Genoni,2019年)将这一概念应用于分子轨道,结合HAR方法,可以得到HAR–ELMO方法(Malaspina等。, 2019). ELMO也可用于更先进的技术,称为HAR–QM/ELMO(Wieduwilt等。, 2021)其中,ELMO描述了晶体环境,系统的“中心部分”被量子力学处理(如HAR中所述)。
两个TAAM(Pichon-Pesme等。, 1995; Domagała公司等。, 2012; Dittrich公司等。, 2004; 伯克等。, 2011; 古玛等。, 2019)HAR–ELMO和HAR–QM/ELMO可用于晶体学精炼以获得氢原子的准确结构参数。虽然HAR通常比TAAM或HAR–ELMO慢,但它不依赖于可转移性的概念,并考虑到分子间的相互作用(这对于TAAM和HAR–ELMO尚不可能实现)。这使得HAR比其他两种方法略为准确(至少在小分子结构的情况下)。HAR的两个版本允许精炼无序晶体的结构(Kleemis等。, 2021; 乔德凯维奇等。, 2022). 在本研究中DiSCaMB公司HAR版本用于所有HAR改进(Chodkiewicz等。, 2020). 除了一项实验电荷密度研究(vanBeek等。, 1996). 在这项工作中,我们想检验HAR在高压冰结构研究中的作用,包括冰VI、氘化冰VI和混合冰(50%H2O/50%直径2O) 冰VI。
1.2. HAR程序
由于冰VI的结构是无序的,用HAR模拟散射强度需要计算系统的多种构象的电子密度。氢在O1原子周围有四种对称-依赖排列,在O2原子周围有两种排列。最简单的方法(以下称为模型1)需要对4+2配置进行量子力学计算。然而,当同时考虑第一邻水分子(模型2)时,对称性相关构型的数量迅速增长到190+69=259。这种方法假设计算由五个水分子构建的团簇的波函数[参见图2中这类团簇的三个选定例子。2(c(c))]. 在这两个模型中,我们还使用点电荷和偶极子来表示库仑和周围分子的相互作用。HAR计算和水分子构型测定的详细信息包括在支持信息.
原子形状因子是使用水分子原子的原子电子密度在所有簇上平均计算得出的:
哪里ρA类(第页)是原子的平均电子密度A类求和遍历系统所有可能的对称独立配置,P(P)是配置概率(假设所有配置都相同),n个我是对称等价于我配置和ρA类,我(第页)是原子的原子电子密度A类在此配置中。在模型2中,只考虑中心分子原子的电子密度。
模型2预计比模型1更准确,因为它以量子力学的方式处理结构的更大片段。我们测试了这两种方法,差异相对较小(键长的平均差异仅为3 m Au,键长的标准偏差约为15 m Au)。模型1的数据包括在支持信息。我们还没有尝试对包括第二邻水分子在内的较大簇进行计算。