Water lijkt misschien een bekende hoeveelheid. Er zijn, echter, nog steeds aspecten van water die voor wetenschappers onbekend blijven. Puur water, dat is water zonder extra sporenmateriaal, heeft nog steeds complexe eigenschappen die nog niet volledig door wetenschappers worden begrepen. Om deze eigenschappen te ontgrendelen, wetenschappers gebruiken dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT), een raamwerk van elektronische structuur, om de krachten en interactie tussen watermoleculen te bestuderen. Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) wetenschappers onder leiding van Mirza Galib, Gregory K. Schenter en Christopher J. Mundy hebben een aangepast DFT-simulatieprotocol getest om te bewijzen dat het kan worden uitgebreid om complexere watereigenschappen te simuleren. De tests bleken succesvol in het simuleren van baseline watermetingen.

Water is bedrieglijk in zijn complexiteit. Zuiver water bevat een waterstofbindingsnetwerk omdat de negatieve zuurstofionen zich willen binden met de positieve waterstofionen. Veel van de eigenschappen van water zijn afhankelijk van het maken en verbreken van deze waterstofbruggen en een bepaalde snelheid, tijd en energie. Voor vloeibaar water in een ingewikkeld, stressvolle en heterogene omgeving, sommige eigenschappen van water moeten nog volledig worden begrepen. Wetenschappers gebruiken computersimulaties om deze eigenschappen te simuleren. Deze simulaties moeten goed worden gekalibreerd om de kwaliteit van de geproduceerde gegevens te waarborgen. Water is een universeel oplosmiddel. Zijn eigenschappen en respons beheersen vele processen en fenomenen. Het fundamentele begrip ervan kan worden uitgebreid tot het oplossen van praktische gezondheid, energie en de milieu-uitdagingen.

"Water is erg ingewikkeld vanuit scheikundig oogpunt, " zegt Galib, chemicus. "Dus het afstemmen van deze simulaties om nauwkeurig te zijn, is een echte uitdaging."

De dynamische en structurele eigenschappen van water kunnen worden geanalyseerd door middel van geavanceerde computersimulaties. Met behulp van krachtige computers, wetenschappers hebben kwantummechanische technieken gebruikt die gebaseerd zijn op DFT. Een kwantummechanische methode, DFT wordt gebruikt in de natuurkunde, scheikunde en materiaalwetenschappen om de elektronische structuur van moleculen te onderzoeken, die verwijst naar de eigenschappen van elektronen in het elektrostatische veld rond de kernen.

De DFT is niet zonder fouten. Er zijn veel onderzoeken gedaan naar de werkzaamheid en nauwkeurigheid van DFT, vooral als het gaat om bulk- en grensvlakwatereigenschappen. De uitdaging voor wetenschappers is om voort te bouwen op DFT om een ​​protocol te creëren dat op effectieve wijze complexe en nauwkeurige watereigenschappen kan simuleren.

"Als we goed genoeg zijn in het begrijpen van de krachten tussen moleculen met behulp van statistische mechanica, we kunnen afstemmen, voorspellen, deze complexe eigenschappen te beheersen en te begrijpen, " zegt Schenter, chemisch wetenschapper.

Met dit in gedachten, de PNNL-wetenschappers testten een herziene versie van de Perdew-Burke-Ernzerhof plus Grimme's derde generatie dispersie (revPBE-D3) om een ​​duidelijk beeld te simuleren van massadichtheidsfluctuaties in zuiver water.

De test bewees dat het revPBE-D3-protocol nauwkeurig is bij het bepalen van de basislijnmetingen van zuiver water. In aanvulling, de resultaten bevestigden eerdere onderzoeken naar het gebruik van DFT-interactiepotentialen en verhielpen inconsistenties in thermodynamische watereigenschappen.

Nadat bewezen is dat de revPBE-D3 nauwkeurig is in het simuleren van de basiswatereigenschappen, de volgende stap is het testen van complexere simulaties met hetzelfde protocol.