Globale Geometrieoptimierung von Wasserclustern

Bandow, Bernhard

Mit Hilfe eines genetischen Algorithmus sind globale Geometrieoptimierungen reiner Wassercluster durchgeführt worden. Wegen der immensen Anforderungen an die Computerressourcen bestand ein Ziel in der Verbesserung des Algorithmus. Resultat war ein asynchroner Algorithmus, der im Vergleich mit einem generationsbasierten Pendant bei gleichen Resultaten erheblich schneller arbeitet. Optimierungsrechnungen von TTM2-F-Wasserclustern haben den Größenbereich von 2 bis 105 Molekülen lückenlos abgedeckt, wobei globale Minima der Cluster mit bis zu 34 Molekülen aufgefunden werden konnten. Als wiederkehrende Strukturmotive sind Kuben, Pentaprismen und clathratartige Käfige mit einem und zwei eingeschlossenen Wassermolekülen identifizierbar. Mit den neben den globalen Minima gewonnenen lokalen Minimalstrukturen sind eine Reihe von Struktur- und Orientierungsisomeren vorhanden, deren Häufigkeit bei Temperaturen oberhalb von T = 0K nach Maßgabe der jeweiligen Boltzmannfaktoren die Vielfalt der Strukturmotive noch umfangreicher werden läßt. Zwar muß sich ein Bildungsgesetz auf reine Deskription beschränken, doch weisen die Strukturen lokaler Minima einer Größe n trendartig auf mögliche Strukturmotive der globalen Minima der Größe m > n hin. Als Mittel zur Identifikation der Wassercluster sind IR-Streckschwingungsspektren berechnet worden. Dabei zeigte sich, daß Intensitätsmaxima den ursächlichen OH-Bindungen in wiederkehrender geometrischer Umgebung und in bezug auf die Donator-/Akzeptorkonfiguration ihrer Moleküle zugeordnet werden können. Gelingt dies bei Clustern mit hoher Symmetrie (z.B. Stapel aus Kuben und Pentaprismen) sehr gut, bleibt eine Identifikation komplexerer Strukturen, wie clathratartigen Käfigen zukünftigen verbesserten Methoden vorbehalten. Die globale Optimierung von sphärischen Ausschnitten der Eismodifikationen Ic, Ih und VI hat den Erhalt kristalliner nur schwach verzerrter Eiskerne belegt, die von einer stärker verzerrten Hülle umgeben sind. Der Vergleich mit den optimierten Clusterstrukturen legt einerseits die energetische Konkurrenzfähigkeit zwischen den so erzeugten Eisnanokristallen und optimierten Clusterstrukturen nahe und spricht andererseits für einen Übergang zum Kristallregime ab etwa 90 Molekülen.

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Bandow, Bernhard: Globale Geometrieoptimierung von Wasserclustern. 2007.

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