Коллективные возбуждения в аморфном льде

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Представлены результаты исследования микроскопических коллективных возбуждений в аморфном льде низкой плотности, полученные с помощью моделирования молекулярной динамики на основе моноатомной ML-mW модели потенциала межмолекулярного взаимодействия. Рассчитанные спектры продольного CL(k,ω) и поперечного CT(k,ω) потоков обнаруживают наличие распространяющихся коллективных возбуждений продольной и поперечной поляризаций в аморфном льде для широкой области значений волновых чисел. Установлена область замешивания продольных и поперечных коллективных мод в аморфном льде низкой плотности. Показано, что температурная зависимость ширины щели kgap в законе дисперсии поперечных акустикоподобных мод описывается линейной зависимостью.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Р. М. Хуснутдинов

Казанский государственный энергетический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: khrm@mail.ru
Россия, Казань

Список литературы

  1. Montfrooij W. and de Schepper I. Excitations in simple liquids, liquid metals and superfluids. New York: Oxford University Press, 2010.
  2. Pines D. Elementary excitations in solids. New York - Amsterdam: W.A. Benjamin Inc, 1963.
  3. Boon J.P., Yip S. Molecular Hydrodynamics. New York: McGraw-Hill, 1980.
  4. Boinovich L.B., Emelyanenko A.M. Forces due to dynamic structure in thin liquid films // Adv. Colloid Interf. Sci. 2002. V. 96. P. 37–58. https://doi.org/10.1016/s0001-8686(01)00074-4
  5. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. Ленинград: Наука, 1975.
  6. Barrat J.-L. and Hansen J.-P. Basic concepts for simple and complex liquids. Cambridge: University Press, 2003.
  7. Balucani U. and Zoppi M. Dynamics of the liquid state. Oxford: Clarendon Press, 1994.
  8. Brazhkin V.V., Trachenko K. Collective excitations and thermodynamics of disordered state: New insights into an old problem // J. Phys. Chem. B. 2014. V. 118. P. 11417–11427. https://doi.org/10.1021/jp503647s
  9. Trachenko K., Brazhkin V.V. Collective modes and thermodynamics of the liquid state // Rep. Prog. Phys. 2016. V. 79. P. 016502. https://doi.org/ 10.1088/0034-4885/79/1/016502
  10. Хуснутдинов Р.М., Мокшин А.В. Атомарные коллективные возбуждения в жидком свинце // Письма в ЖЭТФ. 2014. Т. 100. С. 42. https://doi.org/10.7868/S0370274X14130086
  11. March N.H. Liquid metals: Concepts and theory. Cambridge: Cambridge University Press, 1990.
  12. Levesque D., Verlet L., Kurkijarvi J. Computer “experiments” on classical fluids. iv. transport properties and time-correlation functions of the Lennard-Jones liquid near its triple point // Phys. Rev. A. 1973. V. 7. P. 1690. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.7.1690
  13. Hosokawa S., Munejiri S., Inui M., Kajihara Y., Pilgrim W.-C., Ohmasa Y., Tsutsui S., Baron A.Q.R., Shimojo F., Hoshino K. Transverse excitations in liquid Sn // J. Phys. Condens. Matter. 2013. V. 25. P. 112101. https://doi.org/10.1088/0953-8984/25/11/112101
  14. Hosokawa S., Munejiri S., Inui M., Kajihara Y., Pilgrim W.-C., Baron A.Q.R., Shimojo F., Hoshino K. Transverse excitations in liquid metals // AIP Conf. Proc. 2013. V. 1518. P. 695–702. https://doi.org/10.1063/1.4794661
  15. Hosokawa S., Inui M., Kajihara Y., Tsutsui S., Baron A.Q.R. Transverse excitations in liquid Fe, Cu and Zn // J. Phys.: Condens. Matter. 2015. V. 27. P. 194104. https://doi.org/10.1088/0953-8984/27/19/194104
  16. Rahman A., Stillinger F.H. Propagation of sound in water. A molecular-dynamics study // Phys. Rev. A. 1974. V. 10. P. 368. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.10.368
  17. Sette F., Ruocco G., Krisch M., Masciovecchio C., Verbeni R., Bergmann U. Collective dynamics in water by high energy resolution inelastic X-Ray scattering // Phys. Rev. Lett. 1995. V. 75. P. 850. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.75.850
  18. Ricci M.A., Rocca D., Ruocco G., Vallauri R. Collective dynamical properties of liquid water // Phys. Rev. Lett. 1988. V. 61. P. 1958. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.61.1958
  19. Sastry S., Sciortino F., Stanley H.E. Collective excitations in liquid water at low frequency and large wave vector // J. Chem. Phys. 1991. V. 95. P. 7775–7776. https://doi.org/10.1063/1.461354
  20. Bertolini D., Tani A. Generalized hydrodynamics and the acoustic modes of water: Theory and simulation results // Phys. Rev. E. 1995. V. 51. P. 1091. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.51.1091
  21. Petrillo C., Sacchetti F., Dorner B., Suck J.-B. High-resolution neutron scattering measurement of the dynamic structure factor of heavy water // Phys. Rev. E. 2000. V. 62. P. 3611. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.62.3611
  22. Sacchetti F., Suck J.-B., Petrillo C., Dorner B. Brillouin neutron scattering in heavy water: Evidence for two-mode collective dynamics // Phys. Rev. E. 2004. V. 69. P. 061203. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.69.061203
  23. Chan H., Cherukara M.J., Narayanan B., Loeffler T.D., Benmore C., Gray S.K., Sankaranarayanan S. Machine learning coarse grained models for water // Nat. Commun. 2019. V. 10. P. 379. https://doi.org/10.1038/s41467-018-08222-6
  24. Molinero V., Moore E.B. Water Modeled As an Intermediate Element between Carbon and Silicon // J. Phys. Chem. B. 2009. V. 113. P. 4008–4016. https://doi.org/10.1021/jp805227c
  25. Yunusov M.B., Khusnutdinoff R.M. Neural network model for predicting the atomization energy of multi-atomic molecules based on sorted Coulomb matrices // High Energy Chemistry. 2024. V. 58. P. S286. https://doi.org/10.1134/S0018143924701017
  26. Mallamace F., Corsaro C., Stanley H.E. Possible relation of water structural relaxation to water anomalies // PNAS. 2013. V. 110. P. 4899. https://doi.org/10.1073/pnas.1221805110
  27. Хуснутдинов Р.М. Микроскопическая коллективная динамика воды // Коллоид. журн. 2016. Т. 78. № 2. С. 208. https://doi.org/10.7868/S0023291216010092
  28. Guthrie M., Tulk C.A., Benmore C.J., Klug D.D. A structural study of very high-density amorphous ice // Chem. Phys. Lett. 2004. V. 397. P. 335. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2004.07.116
  29. Хуснутдинов Р.М. Динамика сетки водородных связей при электрокристаллизации воды // Коллоид. журн. 2013. Т. 75. № 6. С. 792. https://doi.org/10.7868/s0023291213060062
  30. Хуснутдинов Р.М. Структурные и динамические особенности воды и аморфного льда // Коллоид. журн. 2017. Т. 79. № 1. С. 104. https://doi.org/10.7868/S0023291217010074
  31. Mishima O. Polyamorphism in water // Proc. Jpn. Acad., Ser. B. 2010. V. 86. P. 165. https://doi.org/10.2183/pjab.86.165

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Температурные зависимости плотности ρ, удельного объема V, потенциальной энергии U и энтальпии H, приходящиеся на одну молекулу: сплошные линии – результаты моделирования, значки (○○○) – экспериментальные данные [26].

Скачать (339KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Статический структурный фактор для воды и аморфного льда при различных температурах.

Скачать (144KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Спектральные плотности ВКФ продольного (L) и поперечного (T) потоков для аморфного льда низкой плотности при температуре T = 200 K для области значений волновых чисел 0.56 Å-1 ≤ k ≤ 2.24 Å-1.

Скачать (233KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Дисперсии коллективных возбуждений продольных (а) и поперечных (б) коллективных мод: зелеными значками отмечена оптическая мода; красными, синими и сиреневыми значками отмечены продольные и поперечные акустикоподобные коллективные моды. Пунктирными линиями отмечена область замешивания продольных и поперечных коллективных мод, которая соответствует области левого пика в главном максимуме статического структурного фактора S(k) (рис. 2).

Скачать (223KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Законы дисперсий продольных (а) и поперечных (б) акустикоподобных мод для воды при различных температурах.

Скачать (476KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Температурная зависимость ширины щели в законе дисперсии поперечных акустикоподобных коллективных мод в воде: значки представляют результаты моделирования; сплошная линия – результаты интерполяции линейной зависимостью.

Скачать (123KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025