Water in the subcritical and supercritical states has remarkable properties that make it an excellent solvent for oxidation of hazardous chemicals, waste separation, and green synthesis. Molecular simulations are a valuable complement to experiments in order to understand and improve the relevant sub- and super-critical reaction mechanisms. Since water molecules under these conditions can act not only as a solvent but also as a reactant, dissociative force fields are especially interesting to investigate these processes. In this work, we evaluate the capacity of the ReaxFF force field to reproduce the microstructure, hydrogen bonding, dielectric constant, diffusion, and proton transfer of sub- and super-critical water. Our results indicate that ReaxFF is able to simulate water properties in these states in very good quantitative agreement with the existing experimental data, with the exception of the static dielectric constant that is reproduced only qualitatively.

1.
A.
Koschinsky
,
D.
Garbe-Schönberg
,
S.
Sander
,
K.
Schmidt
,
H.-H.
Gennerich
, and
H.
Strauss
,
Geology
36
,
615
(
2008
).
2.
M.
Murakami
,
K.
Hirose
,
H.
Yurimoto
,
S.
Nakashima
, and
N.
Takafuji
,
Science
295
,
1885
(
2002
).
3.
G.
Hirth
and
D. L.
Kohlstedt
,
Earth Planet. Sci. Lett.
144
,
93
(
1996
).
4.
M.
Diez-Garcia
,
J. J.
Gaitero
,
J. S.
Dolado
, and
C.
Aymonier
,
Angew. Chem., Int. Ed.
56
,
3162
(
2017
).
5.
H.
Weingärtner
and
E. U.
Franck
,
Angew. Chem., Int. Ed.
44
,
2672
(
2005
).
6.
T.
Adschiri
,
K.
Kanazawa
, and
K.
Arai
,
J. Am. Ceram. Soc.
75
,
1019
(
1992
).
7.
T.
Adschiri
,
Y.-W.
Lee
,
M.
Goto
, and
S.
Takami
,
Green Chem.
13
,
1380
(
2011
).
8.
P. E.
Savage
,
Chem. Rev.
99
,
603
(
1999
).
9.
G.
Brunner
,
J. Supercrit. Fluids
47
,
382
(
2009
).
10.
P.
Postorino
,
R. H.
Tromp
,
M.-A.
Ricci
,
A. K.
Soper
, and
G. W.
Neilson
,
Nature
366
,
668
(
1993
).
11.
V.
Sokhan
,
A.
Jones
,
F.
Cipcigan
,
J.
Crain
, and
G.
Martyna
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
117801
(
2015
).
12.
M. M.
Hoffmann
and
M. S.
Conradi
,
J. Am. Chem. Soc.
119
,
3811
(
1997
).
13.
D. P.
Fernández
,
Y.
Mulev
,
A. R. H.
Goodwin
, and
J. M. H. L.
Sengers
,
J. Phys. Chem. Ref. Data
24
,
33
(
1995
).
14.
I. A.
Beta
,
J.-C.
Li
, and
M.-C.
Bellissent-Funel
,
Chem. Phys.
292
,
229
(
2003
).
15.
G.
Brunner
,
J. Supercrit. Fluids
47
,
373
(
2009
).
16.
D. W.
Brenner
,
O. A.
Shenderova
,
J. A.
Harrison
,
S. J.
Stuart
,
B.
Ni
, and
S. B.
Sinnott
,
J. Phys.: Condens. Matter
14
,
783
(
2002
).
17.
T. S.
Mahadevan
and
S. H.
Garofalini
,
J. Phys. Chem. C
112
,
1507
(
2008
).
18.
A. C. T.
van Duin
,
S.
Dasgupta
,
F.
Lorant
, and
W. A.
Goddard
,
J. Phys. Chem. A
105
,
9396
(
2001
).
19.
D.
Jiang
,
Y.
Wang
,
M.
Zhang
,
J.
Zhang
,
W.
Li
, and
Y.
Han
,
Int. J. Hydrogen Energy
42
,
9667
(
2017
).
20.
H.
Jin
,
Y.
Wu
,
L.
Guo
, and
X.
Su
,
Int. J. Hydrogen Energy
41
,
3837
(
2016
).
21.
H.
Jin
,
Y.
Wu
,
C.
Zhu
,
L.
Guo
, and
J.
Huang
,
Int. J. Hydrogen Energy
41
,
16064
(
2016
).
22.
J.
Zhang
,
J.
Gu
,
Y.
Han
,
W.
Li
,
Z.
Gan
, and
J.
Gu
,
J. Mol. Model.
21
,
54
(
2015
).
23.
H. M.
Aktulga
,
J. C.
Fogarty
,
S. A.
Pandit
, and
A. Y.
Grama
,
Parallel Comput.
38
,
245
(
2012
).
24.
S.
Plimpton
,
J. Comput. Phys.
117
,
1
(
1995
).
25.
L.
Martínez
,
R.
Andrade
,
E. G.
Birgin
, and
J. M.
Martínez
, “
PACKMOL: A package for building initial configurations for molecular dynamics simulations
,”
J. Comput. Chem.
30
,
2157
2164
(
2009
).
26.
W.
Shinoda
,
M.
Shiga
, and
M.
Mikami
,
Phys. Rev. B
69
,
134103
(
2004
).
27.
H.
Grubmüller
,
H.
Heller
,
A.
Windemuth
, and
K.
Schulten
,
Mol. Simul.
6
,
121
(
1991
).
28.
B.
Guillot
,
J. Mol. Liq.
101
,
219
(
2002
).
29.
G. A.
Cisneros
,
K. T.
Wikfeldt
,
L.
Ojamäe
,
J.
Lu
,
Y.
Xu
,
H.
Torabifard
,
A. P.
Bartok
,
G.
Csanyi
,
V.
Molinero
, and
F.
Paesani
,
Chem. Rev.
116
,
7501
(
2016
).
30.
T. P.
Senftle
,
S.
Hong
,
M. M.
Islam
,
S. B.
Kylasa
,
Y.
Zheng
,
Y. K.
Shin
,
C.
Junkermeier
,
R.
Engel-Herbert
,
M. J.
Janik
,
H. M.
Aktulga
,
T.
Verstraelen
,
A.
Grama
, and
A. C. T.
van Duin
,
npj Comput. Mater.
2
,
15011
(
2016
).
31.
H.
Manzano
,
R. J. M.
Pellenq
,
F.-J.
Ulm
,
M. J.
Buehler
, and
A. C. T.
van Duin
,
Langmuir
28
,
4187
(
2012
).
32.
H.
Manzano
,
E.
Durgun
,
I.
López-Arbeloa
, and
J. C. J.
Grossman
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
7
,
14726
(
2015
).
33.
Q.
Wang
,
H.
Manzano
,
Y.
Guo
,
I.
Lopez-Arbeloa
, and
X.
Shen
,
J. Phys. Chem. C
119
,
19869
(
2015
).
34.
J. C.
Fogarty
,
H. M.
Aktulga
,
A. Y.
Grama
,
A. C. T.
van Duin
, and
S. A.
Pandit
,
J. Chem. Phys.
132
,
174704
(
2010
).
35.
H.
Manzano
,
S.
Moeini
,
F.
Marinelli
,
A. C. T.
van Duin
,
F.-J.
Ulm
, and
R. J. M.
Pellenq
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
2208
(
2012
).
36.
H.
Manzano
,
E.
Masoero
,
I.
Lopez-Arbeloa
, and
H. M.
Jennings
,
Soft Matter
9
,
7333
(
2013
).
37.
S. A.
Sheikholeslam
,
H.
Manzano
,
C.
Grecu
, and
A.
Ivanov
,
J. Mater. Chem. C
4
,
8104
(
2016
).
38.
A. C. T.
van Duin
,
B. V.
Merinov
,
S. S.
Han
,
C. O.
Dorso
, and
W. A.
Goddard
,
J. Phys. Chem. A
112
,
11414
(
2008
).
39.
G.
Lamoureux
,
E.
Harder
,
I. V.
Vorobyov
,
B.
Roux
, and
A. D.
MacKerell
,
Chem. Phys. Lett.
418
,
245
(
2006
).
40.
P.
Ren
and
J. W.
Ponder
,
J. Phys. Chem. B
107
,
5933
(
2003
).
41.
W. J.
Mortier
,
S. K.
Ghosh
, and
S.
Shankar
,
J. Am. Chem. Soc.
108
,
4315
(
1986
).
42.
T.
Verstraelen
,
P. W.
Ayers
,
V.
Van Speybroeck
, and
M.
Waroquier
,
J. Chem. Phys.
138
,
074108
(
2013
).
43.
K.
Chenoweth
,
A. C. T.
van Duin
, and
W. A.
Goddard
,
J. Phys. Chem. A
112
,
1040
(
2008
).
44.
W.
Zhang
and
A. C. T.
van Duin
,
J. Phys. Chem. B
121
,
6021
(
2017
).
45.
W.
Zhang
and
A. C. T.
van Duin
,
J. Phys. Chem. B
122
,
4083
(
2018
).
46.
T. A.
Pascal
,
D.
Schärf
,
Y.
Jung
, and
T. D.
Kühne
,
J. Chem. Phys.
137
,
244507
(
2012
).
47.
D.
van der Spoel
,
P. J.
van Maaren
, and
H. J. C.
Berendsen
,
J. Chem. Phys.
108
,
10220
(
1998
).
48.
NIST, NIST Chemistry WebBook.
49.
N. W.
Moriarty
and
G.
Karlström
,
J. Chem. Phys.
106
,
6470
(
1997
).
50.
F.
Martin
and
H.
Zipse
,
J. Comput. Chem.
26
,
97
(
2005
).
51.
T. R.
Dyke
and
J. S.
Muenter
,
J. Chem. Phys.
59
,
3125
(
1973
).
52.
D.
Pan
,
L.
Spanu
,
B.
Harrison
,
D. A.
Sverjensky
, and
G.
Galli
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
110
,
6646
(
2013
).
53.
S. W.
de Leeuw
,
J. W.
Perram
, and
E. R.
Smith
,
Proc. R. Soc. London, Ser. A
373
,
27
56
(
1980
).
54.
A. K.
Soper
,
Chem. Phys.
258
,
121
(
2000
).
55.
A.
Botti
,
F.
Bruni
,
M. A.
Ricci
, and
A. K.
Soper
,
J. Chem. Phys.
109
,
3180
(
1998
).
56.
A. A.
Chialvo
and
P. T.
Cummings
,
J. Chem. Phys.
101
,
4466
(
1994
).
57.
A. A.
Chialvo
,
P. T.
Cummings
,
J. M.
Simonson
,
R. E.
Mesmer
, and
H. D.
Cochran
,
Ind. Eng. Chem. Res.
37
,
3021
(
1998
).
58.
Y.
Guissani
and
B.
Guillot
,
J. Chem. Phys.
98
,
8221
(
1993
).
59.
J.
Martí
,
J. Chem. Phys.
110
,
6876
(
1999
).
60.
A. G.
Kalinichev
and
J. D.
Bass
,
J. Phys. Chem. A
101
,
9720
(
1997
).
61.
N.
Yoshii
,
H.
Yoshie
,
S.
Miura
, and
S.
Okazaki
,
J. Chem. Phys.
109
,
4873
(
1998
).
62.
E. U.
Franck
and
K.
Roth
,
Discuss. Faraday Soc.
43
,
108
(
1967
).
63.
A. K.
Soper
,
F.
Bruni
, and
M. A.
Ricci
,
J. Chem. Phys.
106
,
247
(
1997
).
64.
G. V.
Bondarenko
and
Y. E.
Gorbaty
,
Mol. Phys.
74
,
639
(
1991
).
65.
Y. E.
Gorbaty
and
Y. N.
Demianets
,
Chem. Phys. Lett.
100
,
450
(
1983
).
66.
R. L.
Blumberg
,
H. E.
Stanley
,
A.
Geiger
, and
P.
Mausbach
,
J. Chem. Phys.
80
,
5230
(
1984
).
67.
G. A.
Jeffrey
,
An Introduction to Hydrogen Bonding
(
Oxford University Press
,
New York
,
1997
), Vol. 32.
68.
E.
Duque-Redondo
,
H.
Manzano
,
N.
Epelde-Elezcano
,
V.
Martínez-Martínez
, and
I.
López-Arbeloa
,
Chem. Mater.
26
,
4338
(
2014
).
69.
A. G.
Kalinichev
and
J. D.
Bass
,
Chem. Phys. Lett.
231
,
301
(
1994
).
70.
A. G.
Kalinichev
, in
Molecular Modelling Theory: Application in the Geosciences
, edited by
R. T.
Cygan
and
J. D.
Kubicki
(
Mineralogical Society of America
,
Washington
,
2001
), Vol. 42, pp.
83
130
.
71.
A.
Stukowski
,
Modell. Simul. Mater. Sci. Eng.
18
,
15012
(
2010
).
72.
W. J.
Lamb
,
G. A.
Hoffman
, and
J.
Jonas
,
J. Chem. Phys.
74
,
6875
(
1981
).
73.
T.
Tassaing
and
M.-C.
Bellissent-Funel
,
J. Chem. Phys.
113
,
3332
(
2000
).
74.
K.
Yoshida
,
C.
Wakai
,
N.
Matubayasi
, and
M.
Nakahara
,
J. Chem. Phys.
123
,
164506
(
2005
).
75.
R.
Mills
,
J. Phys. Chem.
77
,
685
(
1973
).
76.
C.
Nieto-Draghi
,
J.
Bonet Avalos
, and
B.
Rousseau
,
J. Chem. Phys.
118
,
7954
(
2003
).
77.
A. G.
Kalinichev
,
Ber. Bunsengesellschaft Phys. Chem.
97
,
872
(
1993
).
78.
A. V.
Bandura
and
S. N.
Lvov
,
J. Phys. Chem. Ref. Data
35
,
15
(
2005
).
79.
T. C.
Berkelbach
,
H.-S.
Lee
, and
M. E.
Tuckerman
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
238302
(
2009
).
80.
D.
Laria
,
G.
Ciccotti
,
M.
Ferrario
, and
R.
Kapral
,
J. Chem. Phys.
97
,
378
(
1992
).
81.
R.
Vuilleumier
and
D.
Borgis
,
Chem. Phys. Lett.
284
,
71
(
1998
).
82.
D.
Laria
,
J.
Martí
, and
E.
Guàrdia
,
J. Am. Chem. Soc.
126
,
2125
(
2004
).
83.
M.
Boero
,
T.
Ikeshoji
, and
K.
Terakura
,
ChemPhysChem
6
,
1775
(
2005
).
84.
S.
Cukierman
,
Biochim. Biophys. Acta, Bioenerg.
1757
,
876
(
2006
).
85.
D.
Marx
,
M. E.
Tuckerman
,
J.
Hutter
, and
M.
Parrinello
,
Nature
397
,
601
(
1999
).
You do not currently have access to this content.