Low Temperature Physics: 47, 242 (2021); https://doi.org/10.1063/10.0003525
Физика Низких Температур: Том 47, Выпуск 3 (Март 2021), c. 264-272    ( к оглавлению , назад )

The influence of low-temperature argon matrix on embedded water clusters. A DFT theoretical study

A. Vasylieva1, I. Doroshenko1, S. Stepanian2, and L. Adamowicz3,4

1Taras Shevchenko National University of Kyiv, Kyiv 01601, Ukraine
E-mail: an.vasylieva@gmail.com

2B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering of the National Academy of Sciences of Ukraine Kharkiv 61103, Ukraine

3Department of Chemistry and Biochemistry, University of Arizona, Tucson AZ 85721, USA

4Interdisciplinary Center for Modern Technologies, Nicolaus Copernicus University Toruń PL 87-100, Poland

Received November 16, 2020, published online January 26, 2021

Abstract

Computer simulations of an argon fcc crystal fragment with embedded water clusters of different sizes are performed using the quantum mechanical DFT/M06-2X method. The effect of the argon matrix on the structural, energy, and spectral parameters of individual water clusters are investigated. The formation energies of (H2O)n@Arm complexes, as well as deformation energies of water clusters and of the argon crystal involved in the embedment, are computed for n = 1–7. Matrix shifts of the IR vibrational frequencies of water clusters isolated in argon matrices are predicted based on the results of the calculations. The predictions indicate a possibility of the formation of small stable water complexes in low-temperature argon matrices.

Анотація

За допомогою квантово-механічного методу DFT/M06-2X проведено моделювання фрагмента ГЦК кристала аргону із вбудованими кластерами води різних розмірів. Досліджено вплив аргонової матриці на структурні, енергетичні та спектральні особливості окремих кластерів води. Розраховано енергії утворення комплексів (H2O)n@Arm (n = 1–7), а також енергії деформації кластерів води та кристала аргону. Проведено оцінку матричних зсувів коливальних частот в експериментально зареєстрованих ІЧ спектрах кластерів води, вбудованих в матрицю аргону. Отримані результати дозволили визначити можливість утворення стабільних малих водних комплексів у низькотемпературних матрицях аргону.

Key words: IR spectroscopy, low-temperature matrix isolation, argon, water clusters, DFT/M06-2X calculations.