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Nuclear quantum effects of light and heavy water studied by all-electron first principles path integral simulations

全電子第一原理経路積分シミュレーションによる軽水及び重水の核量子効果の研究

町田 昌彦; 加藤 孝一郎*; 志賀 基之

Machida, Masahiko; Kato, Koichiro*; Shiga, Motoyuki

水,重水,トリチウム水の液体状態における構造を第一原理経路積分分子動力学法を用いて研究した。用いた計算手法は、電子と原子核のすべてを量子力学的に取り扱うものであり、現時点で最も正確な計算手法の一つである。シミュレーションした結果は、実験とおおよそ一致しており、核量子効果により、同位体間の構造上の違いが明らかにされた。特に特筆すべき結果は、水分子内のOH共有結合中のHが隣接水分子との水素結合上の中点まで移動できる一方、重水素,トリチウムの順に中点まで行ける確率が減少するという傾向を得たことである。しかしながら、実験との完全な一致は未だ得られておらず、密度汎関数法の改良が必須であることが示唆された。また、最近の研究成果である密度汎関数に対するvan der Waals補正は液体状態における同位体効果を研究する上で必須であることが分かった。

The isotopologs of liquid water, H$$_{2}$$O, D$$_{2}$$O, and T$$_{2}$$O, are studied systematically by first principles PIMD simulations, in which the whole entity of the electrons and nuclei are treated quantum mechanically. The simulation results are in reasonable agreement with available experimental data on isotope effects, in particular, on the peak shift in the radial distributions of H$$_{2}$$O and D$$_{2}$$O and the shift in the evaporation energies. It is found that, due to differences in nuclear quantum effects, the H atoms in the OH bonds more easily access the dissociative region up to the hydrogen bond center than the D (T) atoms in the OD (OT) bonds. The accuracy and limitation in the use of the current density-functional-theory-based first principles PIMD simulations are also discussed. It is argued that the inclusion of the dispersion correction or relevant improvements in the density functionals are required for the quantitative estimation of isotope effects.

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