Vatten kan verka som en känd mängd. Det finns, dock, fortfarande aspekter av vatten som fortfarande är okända för forskare. Rent vatten, det är vatten utan ytterligare spårmaterial, har fortfarande komplexa egenskaper som ännu inte ska förstås fullt ut av forskare. För att låsa upp dessa egenskaper, forskare använder densitetsfunktionsteori (DFT), ett ramverk av elektronisk struktur, att studera krafterna och interaktionen mellan vattenmolekyler. Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) forskare under ledning av Mirza Galib, Gregory K. Schenter och Christopher J. Mundy testade ett justerat DFT -simuleringsprotokoll för att bevisa att det kan utökas för att simulera mer komplexa vattenegenskaper. Testerna visade sig vara framgångsrika för att simulera baslinjevattenmätningar.

Vatten är vilseledande i sin komplexitet. Rent vatten innehåller ett vätebindande nätverk på grund av att de negativa syrejonerna vill binda till de positiva vätejonerna. Många av vattnets egenskaper beror på att skapa och bryta dessa vätebindningar och en viss hastighet, tid och energi. För flytande vatten i vissa komplicerade, stressade och heterogena omgivningar, några av vattnets egenskaper har ännu inte helt förståtts. Forskare använder datorsimuleringar för att simulera dessa egenskaper. Dessa simuleringar måste kalibreras ordentligt för att säkerställa kvaliteten på producerad data. Vatten är ett universellt lösningsmedel. Dess egenskaper och respons styr många processer och fenomen. Dess grundläggande förståelse kan utvidgas till upplösning av praktisk hälsa, energi och miljöutmaningarna.

"Vatten är verkligen komplicerat ur kemisynpunkt, säger Galib, kemist. "Så att ställa in dessa simuleringar för att vara korrekta är en riktig utmaning."

Vattens dynamiska och strukturella egenskaper kan analyseras genom avancerade datorsimuleringar. Använder kraftfulla datorer, forskare har använt kvantmekanisk teknik som är grundad i DFT. En kvantmekanisk metod, DFT används inom fysik, kemi och materialvetenskap för att undersöka molekylernas elektroniska struktur, som hänvisar till egenskaperna hos elektroner i det elektrostatiska fältet som omger kärnorna.

DFT är inte utan sina fel. Det har gjorts många studier om effektiviteten och noggrannheten av DFT, särskilt när det gäller bulk- och gränssnittsvattenegenskaper. Utmaningen för forskare är att bygga på DFT för att skapa ett protokoll som effektivt kan simulera komplexa och exakta vattenegenskaper.

"Om vi ​​är tillräckligt bra på att förstå krafterna mellan molekyler med hjälp av statistisk mekanik, vi kan stämma, förutspå, kontrollera och förstå dessa komplexa egenskaper, säger Schenter, kemiforskare.

Med detta i åtanke, PNNL-forskarna testade en reviderad version av Perdew-Burke-Ernzerhof plus Grimmes tredje generation av dispersion (revPBE-D3) för att simulera en tydlig bild av massdensitetsfluktuationer i rent vatten.

Testet visade att revPBE-D3-protokollet är korrekt vid bestämning av baslinjemätningar av rent vatten. Dessutom, resultaten bekräftade tidigare studier av användning av DFT-interaktionspotentialer och rensade bort inkonsekvenser i termodynamiska vattenegenskaper.

Efter att ha bevisat att revPBE-D3 är korrekt för att simulera baslinjens vattenegenskaper, nästa steg är att testa mer komplexa simuleringar med samma protokoll.