Transición líquido-líquido metastable en un modelo molecular de agua

Área de la Ciencia:

• La Química Física es la química física.
• Materiales computacionales Ciencia de la ciencia.
• La termodinámica es la termodinámica.

Sus antecedentes:

• El agua líquida exhibe propiedades termodinámicas anómalas al enfriarse por debajo de su punto de congelación, incluida una mayor compresibilidad y capacidad térmica.
• Los modelos teóricos proponen una transición de fase líquido-líquido (LLPT) en agua superenfriada profundamente, pero la verificación experimental se ha visto obstaculizada por la rápida cristalización del hielo.
• Existe un debate sobre si las transiciones observadas en los modelos de agua representan una verdadera LLPT o una transición de cristal líquido.

Objetivo del estudio:

• Investigar la existencia y la naturaleza de la transición líquido-líquido en el modelo de agua ST2 bajo condiciones de súper enfriamiento profundo.
• Proporcionar evidencia inequívoca a favor o en contra de un LLPT de primer orden en simulaciones de agua.
• Explorar los reordenamientos moleculares y los criterios termodinámicos que rigen las transiciones entre las fases de agua líquida.

Principales métodos:

• Se emplearon seis métodos avanzados de muestreo para calcular la superficie de energía libre del modelo de agua ST2.
• Analizó el shell de coordinación y los reordenamientos de la estructura de anillos topológicos durante las transiciones.
• Simulación de trayectorias termodinámicamente reversibles entre las fases líquida y cristalina.

Principales resultados:

• Identificó dos fases líquidas metestables y una fase cristalina estable que coexisten en las mismas condiciones termodinámicas de superenfriamiento profundo.
• Demostrado que la transición entre las dos fases líquidas cumple con los criterios termodinámicos para una transición de fase de primer orden.
• Se observaron fluctuaciones libres entre las dos fases líquidas, distintas de la cristalización, en el modelo ST2.

Conclusiones:

• Proporcionó evidencia inequívoca de una transición líquido-líquido de primer orden en el modelo ST2 del agua.
• El estudio resuelve el debate sobre la interpretación de las transiciones en los modelos de agua, confirmando una verdadera LLPT.
• Destaca el papel crítico de la separación de las escalas de tiempo entre la cristalización y la relajación líquida para permitir la observación de LLPT.