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Infrared and Raman Spectroscopy of Liquid Water through “First-Principles” Many-Body Molecular Dynamics

极化率 分子动力学 偶极子 拉曼光谱 红外光谱学 统计物理学 量子 化学 化学物理 势能 红外线的 光谱学 计算化学 分子物理学 物理 分子 原子物理学 量子力学
作者
Gregory R. Medders,Francesco Paesani
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:11 (3): 1145-1154 被引量:222
标识
DOI:10.1021/ct501131j
摘要

Vibrational spectroscopy is a powerful technique to probe the structure and dynamics of water. However, deriving an unambiguous molecular-level interpretation of the experimental spectral features remains a challenge due to the complexity of the underlying hydrogen-bonding network. In this contribution, we present an integrated theoretical and computational framework (named many-body molecular dynamics or MB-MD) that, by systematically removing uncertainties associated with existing approaches, enables a rigorous modeling of vibrational spectra of water from quantum dynamical simulations. Specifically, we extend approaches used to model the many-body expansion of interaction energies to develop many-body representations of the dipole moment and polarizability of water. The combination of these "first-principles" representations with centroid molecular dynamics simulations enables the simulation of infrared and Raman spectra of liquid water under ambient conditions that, without relying on any ad hoc parameters, are in good agreement with the corresponding experimental results. Importantly, since the many-body energy, dipole, and polarizability surfaces employed in the simulations are derived independently from accurate fits to correlated electronic structure data, MB-MD allows for a systematic analysis of the calculated spectra in terms of both electronic and dynamical contributions. The present analysis suggests that, while MB-MD correctly reproduces both the shifts and the shapes of the main spectroscopic features, an improved description of quantum dynamical effects possibly combined with a dissociable water potential may be necessary for a quantitative representation of the OH stretch band.

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