Revealing the three-component structure of water with principal component analysis (PCA) of X-ray spectra

主成分分析 组分(热力学) 谱线 氢键 材料科学 结晶学 分子物理学 化学 分子 热力学 物理 数学 天文 统计 有机化学
作者
Zhipeng Jin,Jiangtao Zhao,Gang Chen,Guo Chen,Zhenlin Luo,Lei Xu
出处
期刊:Soft Matter [Royal Society of Chemistry]
卷期号:18 (39): 7486-7496 被引量:5
标识
DOI:10.1039/d2sm00576j
摘要

Combining principal component analysis (PCA) of X-ray spectra with MD simulations, we experimentally reveal the existence of three basic components in water. These components exhibit distinct structures, densities, and temperature dependencies. Among the three, the two major components correspond to the low-density liquid (LDL) and the high-density liquid (HDL) predicted by the two-component model, and the third component exhibits a unique 5-hydrogen-bond configuration with ultra-high local density. As the temperature increases, the LDL component decreases and the HDL component increases, while the third component varies non-monotonically with a peak around 20 °C to 30 °C. The 3D structure of the third component is further illustrated as the uniform distribution of five hydrogen-bonded neighbors on a spherical surface. Our study reveals experimental evidence for water's possible three-component structure, which provides a fundamental basis for understanding water's special properties and anomalies.
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