First hyperpolarizability of water at the air–vapor interface: a QM/MM study questions standard experimental approximations

文献情報

出版日 2021-09-09
DOI 10.1039/D1CP02258J
インパクトファクター 3.676
著者

Guillaume Le Breton, Oriane Bonhomme, Pierre-François Brevet, Emmanuel Benichou, Claire Loison


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要旨

Surface Second-Harmonic Generation (S-SHG) experiments provide a unique approach to probe interfaces. One important issue for S-SHG is how to interpret the S-SHG intensities at the molecular level. Established frameworks commonly assume that each molecule emits light according to an average molecular hyperpolarizability tensor β(−2ω,ω,ω). However, for water molecules, this first hyperpolarizability is known to be extremely sensitive to their environment. We have investigated the molecular first hyperpolarizability of water molecules within the liquid–vapor interface, using a quantum description with explicit, inhomogeneous electrostatic embedding. The resulting average molecular first hyperpolarizability tensor depends on the distance relative to the interface, and it practically respects the Kleinman symmetry everywhere in the liquid. Within this numerical approach, based on the dipolar approximation, the water layer contributing to the Surface Second Harmonic Generation (S-SHG) intensity is less than a nanometer. The results reported here question standard interpretations based on a single, averaged hyperpolarizability for all molecules at the interface. Not only the molecular first hyperpolarizability tensor significantly depends on the distance relative to the interface, but it is also correlated to the molecular orientation. Such hyperpolarizability fluctuations may impact the S-SHG intensity emitted by an aqueous interface.

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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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