Accurate elemental boiling points from first principles

文献情報

出版日 2020-10-12
DOI 10.1039/D0CP02884C
インパクトファクター 3.676
著者

Odile R. Smits


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要旨

The normal boiling point (NBP) is a fundamental property of liquids and marks the intersection of the Gibbs energies of the liquid and the gas-phase at ambient pressure. This work provides the first comprehensive demonstration of the calculation of boiling points of atomic liquids through first-principles molecular-dynamics simulations. To this end, thermodynamic integration (TDI) and perturbation theory (TPT) are combined with a density-functional theory (DFT) Hamiltonian, which provides absolute Gibbs energies, internal energies, and entropies of atomic liquids with an accuracy of a few meV/atom. Linear extrapolation to the intersection with the Gibbs energy of a non-interacting gas-phase eventually pins-down the NBPs. While these direct results can already be quite accurate, they are susceptible to a systematic over or underbinding of the employed density functional. It is shown how this dependency can be strongly reduced and the robustness of the method increased through a simple linear correction termed λ-scaling. Eventually, by carefully tuning of the technical parameters of the approach, the walltime per element is reduced from weeks to about a day (10–20k core-hours), enabling extensive testing for B, Al, Na, K, Ca, Sr, Ba, Mn, Cu, Xe, and Hg. This comprehensive benchmark demonstrates the excellent performance and robustness of the approach with a mean absolute deviation (MAD) of less than 2% from experimental NBPs and very similar accuracy for liquid entropies (MAD 2.3 J (mol K)−1, 2% relative). In some cases, the uncertainties in the predictions are several times smaller than the variation between literature values, allowing us to clear out long-standing ambiguities in the NBPs of B and Ba.

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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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