Interfacial water structures have been studied intensively by probing the O–H stretch mode of water molecules using sum-frequency generation (SFG) spectroscopy. This surface-specific technique is finding increasingly widespread use, and accordingly, computational approaches to calculate SFG spectra using molecular dynamics (MD) trajectories of interfacial water molecules have been developed and employed to correlate specific spectral signatures with distinct interfacial water structures. Such simulations typically require relatively long (several nanoseconds) MD trajectories to allow reliable calculation of the SFG response functions through the dipole moment-polarizability time correlation function. These long trajectories limit the use of computationally expensive MD techniques such as ab initio MD and centroid MD simulations. Here, we present an efficient algorithm determining the SFG response from the surface-specific velocity-velocity correlation function (ssVVCF). This ssVVCF formalism allows us to calculate SFG spectra using a MD trajectory of only ∼100 ps, resulting in the substantial reduction of the computational costs, by almost an order of magnitude. We demonstrate that the O–H stretch SFG spectra at the water-air interface calculated by using the ssVVCF formalism well reproduce those calculated by using the dipole moment-polarizability time correlation function. Furthermore, we applied this ssVVCF technique for computing the SFG spectra from the ab initio MD trajectories with various density functionals. We report that the SFG responses computed from both ab initio MD simulations and MD simulations with an ab initio based force field model do not show a positive feature in its imaginary component at 3100 cm−1.

1.
Q.
Du
,
R.
Superfine
,
E.
Freysz
, and
Y. R.
Shen
,
Phys. Rev. Lett.
70
,
2313
(
1993
).
2.
J. M.
Hankett
,
Y.
Liu
,
X.
Zhang
,
C.
Zhang
, and
Z.
Chen
,
J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys.
51
,
311
(
2013
).
3.
L. F.
Scatena
,
M. G.
Brown
, and
G. L.
Richmond
,
Science
292
,
908
(
2001
).
4.
R.
Vächa
,
S. W.
Rick
,
P.
Jungwirth
,
A. G. F.
de Beer
,
H. B.
de Aguiar
,
J.-S.
Samson
, and
S.
Roke
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
10204
(
2011
).
5.
S.
Strazdaite
,
J.
Versluis
,
E. H. G.
Backus
, and
H. J.
Bakker
,
J. Chem. Phys.
140
,
054711
(
2014
).
6.
K.
Meister
,
S.
Strazdaite
,
A. L.
DeVries
,
S.
Lotze
,
L. L. C.
Olijve
,
I. K.
Voets
, and
H. J.
Bakker
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
111
,
17732
(
2014
).
7.
S.
Ma
,
H.
Li
,
K.
Tian
,
S.
Ye
, and
Y.
Luo
,
J. Phys. Chem. Lett.
5
,
419
(
2014
).
8.
L.
Fu
,
J.
Liu
, and
E. C. Y.
Yan
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
8094
(
2011
).
9.
M.
Okuno
and
T.-A.
Ishibashi
,
J. Phys. Chem. C
119
,
9947
(
2015
).
10.
H.
Groenzin
,
I.
Li
,
V.
Buch
, and
M. J.
Shultz
,
J. Chem. Phys.
127
,
214502
(
2007
).
11.
T.
Ishiyama
,
H.
Takahashi
, and
A.
Morita
,
J. Phys. Chem. Lett.
3
,
3001
(
2012
).
12.
X.
Wei
,
P. B.
Miranda
, and
Y. R.
Shen
,
Phys. Rev. Lett.
86
,
1554
(
2001
).
13.
S.
Gopalakrishnan
,
P.
Jungwirth
,
D. J.
Tobias
, and
H. C.
Allen
,
J. Phys. Chem. B
109
,
8861
(
2005
).
14.
C.
Schnitzer
,
S.
Baldelli
, and
M. J.
Shultz
,
Chem. Phys. Lett.
313
,
416
(
1999
).
15.
I. F. W.
Kuo
and
C. J.
Mundy
,
Science
303
,
658
(
2004
).
16.
M. J.
Shultz
,
P.
Bisson
, and
V.
Tuan Hoang
,
Chem. Phys. Lett.
588
,
1
(
2013
).
17.
M. J.
Shultz
,
P.
Bisson
, and
T. H.
Vu
,
J. Chem. Phys.
141
,
18C521
(
2014
).
18.
C. S.
Hsieh
,
R. K.
Campen
,
A. C. V.
Verde
,
P.
Bolhuis
,
H. K.
Nienhuys
, and
M.
Bonn
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
116102
(
2011
).
19.
J.
Liu
,
R. S.
Andino
,
C. M.
Miller
,
X.
Chen
,
D. M.
Wilkins
,
M.
Ceriotti
, and
D. E.
Manolopoulos
,
J. Phys. Chem. C
117
,
2944
(
2013
).
20.
Y.
Nagata
,
R. E.
Pool
,
E. H. G.
Backus
, and
M.
Bonn
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
226101
(
2012
).
21.
S.
Nihonyanagi
,
T.
Ishiyama
,
T.-K.
Lee
,
S.
Yamaguchi
,
M.
Bonn
,
A.
Morita
, and
T.
Tahara
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
16875
(
2011
).
22.
I. V.
Stiopkin
,
C.
Weeraman
,
P. A.
Pieniazek
,
F. Y.
Shalhout
,
J. L.
Skinner
, and
A. V.
Benderskii
,
Nature
474
,
192
(
2011
).
23.
C.-S.
Tian
and
Y. R.
Shen
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
2790
(
2009
).
24.
Z.
Zhang
,
L.
Piatkowski
,
H. J.
Bakker
, and
M.
Bonn
,
Nat. Chem.
3
,
888
(
2011
).
25.
M.
Bonn
,
Y.
Nagata
, and
E. H. G.
Backus
,
Angew. Chem., Int. Ed.
54
,
5560
(
2015
).
26.
R.-R.
Feng
,
Y.
Guo
,
R.
,
L.
Velarde
, and
H.-F.
Wang
,
J. Phys. Chem. A
115
,
6015
(
2011
).
27.
C. Y.
Wang
,
H.
Groenzin
, and
M. J.
Shultz
,
J. Am. Chem. Soc.
126
,
8094
(
2004
).
28.
C. S.
Tian
and
Y. R.
Shen
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
106
,
15148
(
2009
).
29.
L.
Zhang
,
C.
Tian
,
G. A.
Waychunas
, and
Y. R.
Shen
,
J. Am. Chem. Soc.
130
,
7686
(
2008
).
30.
J. A.
McGuire
and
Y. R.
Shen
,
Science
313
,
1945
(
2006
).
31.
X. K.
Chen
,
W.
Hua
,
Z. S.
Huang
, and
H. C.
Allen
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
11336
(
2010
).
32.
S.
Nihonyanagi
,
J. A.
Mondal
,
S.
Yamaguchi
, and
T.
Tahara
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
64
,
579
(
2013
).
33.
S.
Nihonyanagi
,
S.
Yamaguchi
, and
T.
Tahara
,
J. Chem. Phys.
130
,
204704
(
2009
).
34.
D.
Verreault
,
W.
Hua
, and
H. C.
Allen
,
J. Phys. Chem. Lett.
3
,
3012
(
2012
).
35.
J. F.
Davies
,
R. E. H.
Miles
,
A. E.
Haddrell
, and
J. P.
Reid
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
110
,
8807
(
2013
).
36.
D. L.
Bones
,
J. P.
Reid
,
D. M.
Lienhard
, and
U. K.
Krieger
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
,
11613
(
2012
).
37.
M.
Shiraiwa
,
M.
Ammann
,
T.
Koop
, and
U.
Poeschl
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
108
,
11003
(
2011
).
38.
K.
Uosaki
,
T.
Yano
, and
S.
Nihonyanagi
,
J. Phys. Chem. B
108
,
19086
(
2004
).
39.
T.
Ishiyama
and
A.
Morita
,
J. Phys. Chem. C
111
,
721
(
2007
).
40.
A.
Morita
and
J. T.
Hynes
,
Chem. Phys.
258
,
371
(
2000
).
41.
A.
Morita
and
J. T.
Hynes
,
J. Phys. Chem. B
106
,
673
(
2002
).
42.
Y.
Nagata
and
S.
Mukamel
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
6434
(
2010
).
43.
S.
Roy
and
D. K.
Hore
,
J. Phys. Chem. C
116
,
22867
(
2012
).
44.
S. A.
Hall
,
K. C.
Jena
,
P. A.
Covert
,
S.
Roy
,
T. G.
Trudeau
, and
D. K.
Hore
,
J. Phys. Chem. B
118
,
5617
(
2014
).
45.
H. M.
Chase
,
B. T.
Psciuk
,
B. L.
Strick
,
R. J.
Thomson
,
V. S.
Batista
, and
F. M.
Geiger
,
J. Phys. Chem. A
119
,
3407
(
2015
).
46.
B. M.
Auer
and
J. L.
Skinner
,
J. Chem. Phys.
129
,
214705
(
2008
).
47.
R.
Kumar
and
J. L.
Skinner
,
J. Phys. Chem. B
112
,
8311
(
2008
).
48.
A.
Perry
,
C.
Neipert
,
B.
Space
, and
P. B.
Moore
,
Chem. Rev.
106
,
1234
(
2006
).
49.
B. M.
Auer
and
J. L.
Skinner
,
J. Phys. Chem. B
113
,
4125
(
2009
).
50.
P. A.
Pieniazek
,
C. J.
Tainter
, and
J. L.
Skinner
,
J. Chem. Phys.
135
,
044701
(
2011
).
51.
P. A.
Pieniazek
,
C. J.
Tainter
, and
J. L.
Skinner
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
10360
(
2011
).
52.
C. J.
Tainter
,
P. A.
Pieniazek
,
Y.-S.
Lin
, and
J. L.
Skinner
,
J. Chem. Phys.
134
,
184501
(
2011
).
53.
T.
Ishiyama
and
A.
Morita
,
J. Chem. Phys.
131
,
244714
(
2009
).
54.
T.
Ishiyama
,
H.
Takahashi
, and
A.
Morita
,
Phys. Rev. B
86
,
035408
(
2012
).
55.
T.
Ishiyama
and
A.
Morita
,
J. Phys. Chem. C
113
,
16299
(
2009
).
56.
S. J.
Byrnes
,
P. L.
Geissler
, and
Y. R.
Shen
,
Chem. Phys. Lett.
516
,
115
(
2011
).
57.
T.
Ishiyama
,
T.
Imamura
, and
A.
Morita
,
Chem. Rev.
114
,
8447
(
2014
).
58.
J.
Noah-Vanhoucke
,
J. D.
Smith
, and
P. L.
Geissler
,
J. Phys. Chem. B
113
,
4065
(
2009
).
59.
M. D.
Baer
,
I. F. W.
Kuo
,
D. J.
Tobias
, and
C. J.
Mundy
,
J. Phys. Chem. B
118
,
8364
(
2014
).
60.
R.
Car
and
M.
Parrinello
,
Phys. Rev. Lett.
55
,
2471
(
1985
).
61.
T.
Frigato
,
J.
VandeVondele
,
B.
Schmidt
,
C.
Schütte
, and
P.
Jungwirth
,
J. Phys. Chem. A
112
,
6125
(
2008
).
62.
M. P.
Gaigeot
and
M.
Sprik
,
J. Phys. Chem. B
107
,
10344
(
2003
).
63.
M.
Heyden
,
J.
Sun
,
S.
Funkner
,
G.
Mathias
,
H.
Forbert
,
M.
Havenith
, and
D.
Marx
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
107
,
12068
(
2010
).
64.
H. S.
Lee
and
M. E.
Tuckerman
,
J. Chem. Phys.
126
,
164501
(
2007
).
65.
M.
Sulpizi
,
M.
Salanne
,
M.
Sprik
, and
M. P.
Gaigeot
,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
83
(
2013
).
66.
J.
Sun
,
D.
Bousquet
,
H.
Forbert
, and
D.
Marx
,
J. Chem. Phys.
133
,
114508
(
2010
).
67.
T. D.
Kühne
and
R. Z.
Khaliullin
,
Nat. Commun.
4
,
1450
(
2013
).
68.
Y.
Nagata
,
S.
Yoshimune
,
C.-S.
Hsieh
,
J.
Hunger
, and
M.
Bonn
,
Phys. Rev. X
5
,
021002
(
2015
).
69.
K.
Usui
,
J.
Hunger
,
M.
Sulpizi
,
T.
Ohto
,
M.
Bonn
, and
Y.
Nagata
,
J. Phys. Chem. B
119
,
10597
(
2015
).
70.
J.
Jeon
,
J. H.
Lim
,
S.
Kim
,
H.
Kim
, and
M.
Cho
,
J. Phys. Chem. A
119
,
5356
(
2015
).
71.
T. D.
Kühne
,
T. A.
Pascal
,
E.
Kaxiras
, and
Y.
Jung
,
J. Phys. Chem. Lett.
2
,
105
(
2011
).
72.
L.-M.
Liu
,
C.
Zhang
,
G.
Thornton
, and
A.
Michaelides
,
Phys. Rev. B
82
,
161415
(
2010
).
73.
M.
Sumita
,
C.
Hu
, and
Y.
Tateyama
,
J. Phys. Chem. C
114
,
18529
(
2010
).
74.
F.
Paesani
,
S. S.
Xantheas
, and
G. A.
Voth
,
J. Phys. Chem. B
113
,
13118
(
2009
).
75.
H.
Nakamura
,
T.
Ohto
, and
Y.
Nagata
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
1193
(
2013
).
76.
T.
Ohto
,
A.
Mishra
,
S.
Yoshimune
,
H.
Nakamura
,
M.
Bonn
, and
Y.
Nagata
,
J. Phys.: Condens. Matter
26
,
244102
(
2014
).
77.
J.
Cheng
and
M.
Sprik
,
J. Chem. Theory Comput.
6
,
880
(
2010
).
78.
J.
Cheng
and
M.
Sprik
,
J. Phys.: Condens. Matter
26
,
244108
(
2014
).
79.
S.
Schnur
and
A.
Gross
,
New J. Phys.
11
,
125003
(
2009
).
80.
Y.
Nagata
,
C.-S.
Hsieh
,
T.
Hasegawa
,
J.
Voll
,
E. H. G.
Backus
, and
M.
Bonn
,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
1872
(
2013
).
81.
S.
Mukamel
,
Principles of Nonlinear Optical Spectroscopy
(
Oxford University
,
New York
,
1995
).
82.
J.
Liu
,
W. H.
Miller
,
F.
Paesani
,
W.
Zhang
, and
D. A.
Case
,
J. Chem. Phys.
131
,
164509
(
2009
).
83.
A. G. F.
de Beer
,
J. S.
Samson
,
W.
Hua
,
Z. S.
Huang
,
X. K.
Chen
,
H. C.
Allen
, and
S.
Roke
,
J. Chem. Phys.
135
,
224701
(
2011
).
84.
M.
Sovago
,
R. K.
Campen
,
H. J.
Bakker
, and
M.
Bonn
,
Chem. Phys. Lett.
470
,
7
(
2009
).
85.
Z.
Wang
,
Y.
Pang
, and
D. D.
Dlott
,
J. Chem. Phys.
120
,
8345
(
2004
).
86.
B. M.
Auer
and
J. L.
Skinner
,
J. Chem. Phys.
128
,
224511
(
2008
).
87.
S. A.
Corcelli
and
J. L.
Skinner
,
J. Phys. Chem. A
109
,
6154
(
2005
).
88.
T.
Hasegawa
and
Y.
Tanimura
,
J. Phys. Chem. B
115
,
5545
(
2011
).
89.
G.
Bussi
,
D.
Donadio
, and
M.
Parrinello
,
J. Chem. Phys.
126
,
014101
(
2007
).
90.
P. H.
Berens
and
K. R.
Wilson
,
J. Chem. Phys.
74
,
4872
(
1981
).
91.
A. D.
Becke
,
Phys. Rev. A
38
,
3098
(
1988
).
92.
C. T.
Lee
,
W. T.
Yang
, and
R. G.
Parr
,
Phys. Rev. B
37
,
785
(
1988
).
93.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
94.
Y.
Zhang
and
W.
Yang
,
Phys. Rev. Lett.
80
,
890
(
1998
).
95.
S.
Goedecker
,
M.
Teter
, and
J.
Hutter
,
Phys. Rev. B
54
,
1703
(
1996
).
96.
R.
Jonchiere
,
A. P.
Seitsonen
,
G.
Ferlat
,
A. M.
Saitta
, and
R.
Vuilleumier
,
J. Chem. Phys.
135
,
154503
(
2011
).
97.
I. C.
Lin
,
A. P.
Seitsonen
,
I.
Tavernelli
, and
U.
Rothlisberger
,
J. Chem. Theory Comput.
8
,
3902
(
2012
).
98.
I. C.
Lin
,
A. P.
Seitsonen
,
M. D.
Coutinho-Neto
,
I.
Tavernelli
, and
U.
Rothlisberger
,
J. Phys. Chem. B
113
,
1127
(
2009
).
99.
S.
Grimme
,
J.
Antony
,
S.
Ehrlich
, and
H.
Krieg
,
J. Chem. Phys.
132
,
154104
(
2010
).
100.
J.
VandeVondele
,
M.
Krack
,
F.
Mohamed
,
M.
Parrinello
,
T.
Chassaing
, and
J.
Hutter
,
Comput. Phys. Commun.
167
,
103
(
2005
).
101.
See http://cp2k.berlios.de/ for the CP2K developers group, 2015.
102.
A.
Buczek
,
T.
Kupka
, and
M. A.
Broda
,
J. Mol. Model.
17
,
2029
(
2011
).
103.
E. A.
Raymond
,
T. L.
Tarbuck
,
M. G.
Brown
, and
G. L.
Richmond
,
J. Phys. Chem. B
107
,
546
(
2003
).
104.
J.
Schmidt
,
J.
VandeVondele
,
I. F. W.
Kuo
,
D.
Sebastiani
,
J. I.
Siepmann
,
J.
Hutter
, and
C. J.
Mundy
,
J. Phys. Chem. B
113
,
11959
(
2009
).
105.
D.
Alfè
,
A. P.
Bartók
,
G.
Csányi
, and
M. J.
Gillan
,
J. Chem. Phys.
141
,
014104
(
2014
).
106.
G. R.
Medders
,
V.
Babin
, and
F.
Paesani
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
1103
(
2013
);
[PubMed]
G. R.
Medders
,
V.
Babin
, and
F.
Paesani
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
2906
(
2014
).
[PubMed]
107.
M. A.
Morales
,
J. R.
Gergely
,
J.
McMinis
,
J. M.
McMahon
,
J.
Kim
, and
D. M.
Ceperley
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
2355
(
2014
).
108.
S.
Fritsch
,
R.
Potestio
,
D.
Donadio
, and
K.
Kremer
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
816
(
2014
).
109.
G. R.
Medders
and
F.
Paesani
,
J. Chem. Theory Comput.
11
,
1145
(
2015
).
110.
J.
Kessler
,
H.
Elgabarty
,
T.
Spura
,
K.
Karhan
,
P.
Partovi-Azar
,
A. A.
Hassanali
, and
T. D.
Kühne
,
J. Phys. Chem. B
119
,
10079
(
2015
).
111.
S.
Strazdaite
,
J.
Versluis
, and
H. J.
Bakker
,
J. Chem. Phys.
143
,
084708
(
2015
).
112.
S.
Yamaguchi
,
J. Chem. Phys.
143
,
034202
(
2015
).
113.
Y.
Nagata
,
T.
Hasegawa
,
E. H. G.
Backus
,
K.
Usui
,
S.
Yoshimune
,
T.
Ohto
, and
M.
Bonn
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
23559
(
2015
).
You do not currently have access to this content.