Isotope effect on hydrogen bond symmetrization in hydrogen and deuterium fluoride crystals by molecular dynamics simulation

文献情報

出版日 2019-01-21
DOI 10.1039/C8CP06949B
インパクトファクター 3.676
著者

Hichem Dammak, Fabien Brieuc, Grégory Geneste, Marc Torrent, Marc Hayoun


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要旨

The isotope effect on the collective proton/deuteron transfer in hydrogen and deuterium fluoride crystals has been investigated at 100 K by ab initio quantum-thermal-bath path-integral molecular dynamics (QTB-PIMD) simulation. The deuterons within a planar zigzag chain of the orthorhombic structure simultaneously flip between covalent and hydrogen bonds due to the barrier crossing through tunnelling. The height of the corresponding static barrier normalized for one deuteron is 29.2 meV. In the HF crystal, all the protons are located at the center of the heavy-atom distance. This evidences the symmetrization of the H-bonds, and indicates that the proton zero-point energy is above the barrier top. The decrease of the heavy-atom distance due to quantum fluctuations in both HF and DF crystals corresponds to a large decrease and an increase of the hydrogen and covalent bond lengths, respectively. Upon deuteration, the increase of the heavy-atom distance (Ubbelohde effect) is in agreement with experimental data.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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