Properties of water have been well elucidated for temperatures above ∼230 K and yet mysteries remain in the deeply supercooled region. By performing extensive molecular dynamics simulations on this supercooled region, we find that structural and dynamical instabilities are hidden in the experimentally inaccessible region between 235 K and 150 K. We find a hitherto undiscovered fragmentation from 220 K to 190 K, which is the breakup of large clusters consisting of molecules with a locally distorted tetrahedral structure into small pieces with one or two isolated defects. The fragmentation leads to considerable changes in the relaxation dynamics of water. We reveal a crucial role of specific three-coordinated defects in slow but persistent structural relaxation. The presence of relaxation due to these specific defects makes the water glass transition temperature Tg (=136 K) extremely low and explains why the Tg of water is ∼1/2 of the melting temperature Tm, much lower than the commonly obeyed 2/3 rule of Tg/Tm.

1.
D.
Eisenberg
and
W.
Kauzmann
,
The Structure and Properties of Water
(
Oxford University Press
,
Oxford
,
1969
).
2.
G. W. Z.
Robinson
,
S.-B.
Zhu
,
S.
Singh
, and
M. W.
Evans
,
Water in Biology, Chemistry, and Physics: Experimental Overviews and Computational Methodologies
(
World Scientific
,
Singapore
,
1996
).
3.
O.
Mishima
and
H. E.
Stanley
,
Nature
396
,
329
335
(
1998
).
4.
P. G.
Debenedetti
,
J. Phys.: Condens. Matter
15
,
R1669
R1726
(
2003
).
5.
R. J.
Speedy
,
J. Phys. Chem.
86
,
982
991
(
1982
).
6.
P. H.
Poole
,
F.
Sciortino
,
U.
Essman
, and
H. E.
Stanley
,
Nature
360
,
329
335
(
1992
).
7.
S.
Sastry
,
P. G.
Debenedetti
,
F.
Sciortino
, and
H. E.
Stanley
,
Phys. Rev. E
53
,
6144
6154
(
1996
).
8.
D.
Paschek
and
A.
Geiger
,
J. Chem. Phys. B
103
,
4139
4146
(
1999
).
9.
10.
E. B.
Moore
and
V.
Molinero
,
Nature
479
,
506
508
(
2011
).
11.
J. C.
Palmer
,
F.
Martelli
,
Y.
Liu
,
R.
Car
,
A. Z.
Panagiotopoulos
, and
P. G.
Debenedetti
,
Nature
510
,
385
388
(
2014
).
12.
A.
Nilsson
and
L. G.
Pettersson
,
Nat. Commun.
6
,
8998
(
2015
).
13.
P.
Gallo
,
K.
Amann-Winkel
,
C. A.
Angell
,
M. A.
Anisimov
,
F.
Caupin
,
C.
Chakravarty
,
E.
Lascaris
,
T.
Loerting
,
A. Z.
Panagiotopoulos
,
J.
Russo
,
J. A.
Sellberg
,
H. E.
Stanley
,
H.
Tanaka
,
C.
Vega
,
L.
Xu
, and
L. G.
Pettersson
,
Chem. Rev.
116
,
7463
7500
(
2016
).
14.
P. H.
Handle
,
T.
Loerting
, and
F.
Sciortino
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
114
,
13336
13344
(
2017
).
15.
J. C.
Palmer
,
A.
Haji-Akbari
,
R. S.
Singh
,
F.
Martelli
,
R.
Car
,
A. Z.
Panagiotopoulos
, and
P. G.
Debenedetti
,
J. Chem. Phys.
148
,
137101
(
2018
).
16.
A.
Manka
,
H.
Pathak
,
S.
Tanimura
,
J.
Wolk
,
R.
Strey
, and
B. E.
Wyslouzil
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
14
,
4505
4516
(
2012
).
17.
J. A.
Sellberg
,
C.
Huang
,
T. A.
McQueen
,
N. D.
Loh
,
H.
Laksmono
,
D.
Schlesinger
,
R. G.
Sierra
,
D.
Nordlund
,
C. Y.
Hampton
,
D.
Starodub
,
D. P.
DePonte
,
M.
Beye
,
C.
Chen
,
A. V.
Martin
,
A.
Barty
,
K. T.
Wikfeldt
,
T. M.
Weiss
,
C.
Caronna
,
J.
Feldkamp
,
L. B.
Skinner
,
M. M.
Seibert
,
M.
Messerschmidt
,
G. J.
Williams
,
S.
Boutet
,
L. G.
Pettersson
,
M. J.
Bogan
, and
A.
Nilsson
,
Nature
510
,
381
384
(
2014
).
18.
C. E.
Bertrand
,
Y.
Zhang
, and
S. H.
Chen
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
721
745
(
2013
).
19.
M.
Mazza
,
K.
Stokely
,
S. E.
Pagnotta
,
F.
Bruni
,
H. E.
Stanley
, and
G.
Franzese
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
108
,
19873
19878
(
2011
).
20.
M.
Yamada
,
S.
Mossa
,
H. E.
Stanley
, and
F.
Sciortino
,
Phys. Rev. Lett.
88
,
195701
(
2002
).
21.
22.
L.
Xu
,
P.
Kumar
,
S. V.
Buldyrev
,
S. H.
Chen
,
P. H.
Poole
,
F.
Sciortino
, and
H. E.
Stanley
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
102
,
16558
16562
(
2005
).
23.
D.
Corradini
,
M.
Rovere
, and
P.
Gallo
,
J. Chem. Phys.
132
,
134508
(
2010
).
24.
J. L.
Abascal
and
C.
Vega
,
J. Chem. Phys.
133
,
234502
(
2010
).
25.
P. H.
Poole
,
S. R.
Becker
,
F.
Sciortino
, and
F. W.
Starr
,
J. Phys. Chem. B
115
,
14176
14183
(
2011
).
26.
T.
Yagasaki
,
M.
Matsumoto
, and
H.
Tanaka
,
Phys. Rev. E
89
,
020301
(
2014
).
27.
T.
Sumi
and
H.
Sekino
,
RSC Adv.
3
,
12743
12750
(
2013
).
28.
K. T.
Wikfeldt
,
A.
Nilsson
, and
L. G.
Pettersson
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
,
19918
19924
(
2011
).
29.
S.
Saito
,
I.
Ohmine
, and
B.
Bagchi
,
J. Chem. Phys.
138
,
094503
(
2013
).
30.
M.
De Marzio
,
G.
Camisasca
,
M.
Rovere
, and
P.
Gallo
,
J. Chem. Phys.
144
,
074503
(
2016
).
31.
O.
Mishima
,
L. D.
Calvert
, and
E.
Whalley
,
Nature
310
,
393
395
(
1984
).
32.
O.
Mishima
,
L. D.
Calvert
, and
E.
Whalley
,
Nature
314
,
76
78
(
1985
).
33.
T.
Loerting
,
C.
Salzmann
,
I.
Kohl
,
E.
Mayer
, and
A.
Hallbrucker
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
3
,
5355
5357
(
2001
).
34.
K.
Amann-Winkel
,
C.
Gainaru
,
P. H.
Handle
,
M.
Seidl
,
H.
Nelson
,
R.
Bohmer
, and
T.
Loerting
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
110
,
17720
17725
(
2013
).
35.
W.
Kauzmann
,
Chem. Rev.
43
,
219
256
(
1948
).
36.
G. P.
Johari
,
A.
Hallbrucker
, and
E.
Mayer
,
Nature
330
,
552
553
(
1987
).
37.
R. S.
Smith
and
B. D.
Kay
,
Nature
398
,
788
791
(
1999
).
38.
M. J.
Abraham
,
T.
Murtola
,
R.
Schulz
,
S.
Páll
,
J. C.
Smith
,
B.
Hess
, and
E.
Lindahl
,
SoftwareX
1-2
,
19
25
(
2015
).
39.
J. L. F.
Abascal
and
C.
Vega
,
J. Chem. Phys.
123
,
234505
(
2005
).
40.
H. L.
Pi
,
J. L.
Aragones
,
C.
Vega
,
E. G.
Noya
,
J. L. F.
Abascal
,
M. A.
Gonzalez
, and
C.
McBride
,
Mol. Phys.
107
,
365
374
(
2009
).
41.
F. W.
Starr
,
F.
Sciortino
, and
H. E.
Stanley
,
Phys. Rev. E
60
,
6757
6768
(
1999
).
42.
G.
Franzese
and
H. E.
Stanley
,
J. Phys.: Condens. Matter
19
,
205126
(
2007
).
43.
P.
Beaucage
and
N.
Mousseau
,
J. Phys.: Condens. Matter
17
,
2269
2279
(
2005
).
44.
A.
Haji-Akbari
and
P. G.
Debenedetti
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
112
,
10582
10588
(
2015
).
45.
A.
Haji-Akbari
and
P. G.
Debenedetti
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
114
,
3316
3321
(
2017
).
46.
J. L.
Abascal
,
E.
Sanz
,
R.
Garcia Fernandez
, and
C.
Vega
,
J. Chem. Phys.
122
,
234511
(
2005
).
47.
J. R.
Espinosa
,
C.
Navarro
,
E.
Sanz
,
C.
Valeriani
, and
C.
Vega
,
J. Chem. Phys.
145
,
211922
(
2016
).
48.
F.
Mallamace
,
C.
Branca
,
M.
Broccio
,
C.
Corsaro
,
C. Y.
Mou
, and
S. H.
Chen
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
104
,
18387
18391
(
2007
).
49.
V.
Holten
,
J. C.
Palmer
,
P. H.
Poole
,
P. G.
Debenedetti
, and
M. A.
Anisimov
,
J. Chem. Phys.
140
,
104502
(
2014
).
50.
J.
Russo
and
H.
Tanaka
,
Nat. Commun.
5
,
3556
3566
(
2014
).
51.
R. S.
Singh
,
J. W.
Biddle
,
P. G.
Debenedetti
, and
M. A.
Anisimov
,
J. Chem. Phys.
144
(
14
),
144504
(
2016
).
52.
J. W.
Biddle
,
R. S.
Singh
,
E. M.
Sparano
,
F.
Ricci
,
M. A.
Gonzalez
,
C.
Valeriani
,
J. L.
Abascal
,
P. G.
Debenedetti
,
M. A.
Anisimov
, and
F.
Caupin
,
J. Chem. Phys.
146
,
034502
(
2017
).
53.
A.
Luzar
and
D.
Chandler
,
J. Chem. Phys.
98
,
8160
8173
(
1993
).
54.
P.
Raiteri
,
A.
Laio
, and
M.
Parrinello
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
087801
(
2004
).
55.
E. B.
Moore
and
V.
Molinero
,
J. Chem. Phys.
130
,
244505
(
2009
).
56.
H. E.
Stanley
and
J.
Teixeira
,
J. Chem. Phys.
73
,
3404
3422
(
1980
).
57.
S.
Banerjee
,
R.
Ghosh
, and
B.
Bagchi
,
J. Phys. Chem. B
116
,
3713
3722
(
2012
).
58.
P.
Bhimalapuram
,
S.
Chakrabarty
, and
B.
Bagchi
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
206104
(
2007
).
59.
A.
Faraone
,
L.
Liu
,
C. Y.
Mou
,
C. W.
Yen
, and
S. H.
Chen
,
J. Chem. Phys.
121
,
10843
10846
(
2004
).
60.
L.
Liu
,
S. H.
Chen
,
A.
Faraone
,
C. W.
Yen
, and
C. Y.
Mou
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
117802
(
2005
).
61.
K.
Ito
,
C. T.
Moynihan
, and
C. A.
Angell
,
Nature
398
,
492
495
(
1999
).
62.
C. A.
Angell
,
Chem. Rev.
102
,
2627
2650
(
2002
).
63.
J.
Wong
,
D. A.
Jahn
, and
N.
Giovambattista
,
J. Chem. Phys.
143
,
074501
(
2015
).
64.
F.
Sciortino
,
A.
Geiger
, and
H. E.
Stanley
,
Nature
354
,
218
221
(
1991
).
65.
I.
Ohmine
and
H.
Tanaka
,
J. Chem. Phys.
93
,
8138
8147
(
1990
).
66.
S. H.
Glarum
,
J. Chem. Phys.
33
,
639
643
(
1960
).
67.
V. N.
Novikov
and
A. P.
Sokolov
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
065701
(
2013
).
68.
C.
Gainaru
,
A. L.
Agapov
,
V.
Fuentes-Landete
,
K.
Amann-Winkel
,
H.
Nelson
,
K. W.
Köster
,
A. I.
Kolesnikov
,
V. N.
Novikov
,
R.
Richert
,
R.
Böhmer
,
T.
Loerting
, and
A. P.
Sokolov
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
111
,
17402
17407
(
2014
).
69.
R. A.
Kuharski
and
P. J.
Rossky
,
Chem. Phys. Lett.
103
,
357
362
(
1984
).
70.
L.
Hernández de la Peña
and
P. G.
Kusalik
,
J. Am. Chem. Soc.
127
,
5246
5251
(
2004
).
71.
L.
Wang
,
M.
Ceriotti
, and
T. E.
Markland
,
J. Chem. Phys.
141
,
104502
(
2014
).
72.
K.
Mochizuki
,
M.
Matsumoto
, and
I.
Ohmine
,
Nature
498
,
350
354
(
2013
).
73.
L.
Xu
,
F.
Mallamace
,
Z.
Yan
,
F. W.
Starr
,
S. V.
Buldyrev
, and
H. E.
Stanley
,
Nat. Phys.
5
,
565
569
(
2009
).
74.
S. R.
Becker
,
P. H.
Poole
, and
F. W.
Starr
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
055901
(
2006
).
75.
M. G.
Mazz
,
N.
Giovambattista
,
H. E.
Stanley
, and
F. W.
Starr
,
Phys. Rev. E
76
,
031203
(
2007
).
76.
Y.
Jung
,
J. P.
Garrahan
, and
D.
Chandler
,
Phys. Rev. E
69
,
061205
(
2004
).
77.
A. J.
Moreno
,
S. V.
Buldyrev
,
E.
La Nave
,
I.
Saika-Voivod
,
F.
Sciortino
,
P.
Tartaglia
, and
E.
Zaccarelli
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
157802
(
2005
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.