Anomalia da difusão da água no Modelo Computacional TIP4P/2005f

Abstract

A água apresenta mais de 70 comportamentos anômalos, que são em grande parte consequência das ligações de hidrogênio que suas moléculas formam entre si. Anomalias termodinâmicas bastante conhecidas são as da densidade e do calor específico, mas além delas anomalias dinâmicas, como a da difusão, têm também um papel importante na compreensão dos comportamentos da substância. Uma ferramenta poderosa de análise para complementar resultados experimentais são simulações de dinâmica molecular, e no caso da água existem diversos modelos atomísticos que as viabilizam. Uma das várias características que os diferenciam é a presenca ou não de flexibilidade em suas ligações, o que pode ser um fator relevante para análises de dinâmica. Os dados publicados na literatura para a difusão em modelos flexíveis são todos, no entanto, fora da região de anomalias. Neste trabalho calculamos a densidade e a difusão da água com o modelo flexível TIP4P/2005f e comparamos os nossos resultados com os de modelos rígidos e experimentais. Concluímos que o modelo flexíıvel consegue capturar as anomalias quantitativamente. Além disso, ele estende a região de anomalias para temperaturas mais altas, o que pode ser interessante para análises computacionais de misturas aquosas.

Water presents more than 70 anomalous behaviors, most of them as a consequence of the hydrogen bonds between its molecules. The density and the specific heat anomalies are widely known, but dynamic anomalies such as the diffusion one also have an important role to understand the behavior of water. A powerful analysis tool to complement experimental results are molecular dynamics simulations, and in the case of water there are several atomistic models to perform them. One of the various characteristics that distinguish these models is the presence of flexibility in their bonds, which can be relevant to dynamics analysis. Previous research with flexible models focused, however, on regions without anomalous diffusion behavior. In this work we compute the density and the diffusion of water using the flexible model TIP4P2005/f and compare our results with those from rigid models and experimental data. We find that the flexible model quantitatively reproduces the anomaly. Besides, it extends the anomalous region to higher temperatures, which may be useful for computational analysis of aqueous mixtures.