We study the temperature behavior of the first four peaks of the oxygen-oxygen radial distribution function of water, simulated by the TIP4P/2005, MB-pol, TIP5P, and SPC/E models and compare to experimental X-ray diffraction data, including a new measurement which extends down to 235 K [H. Pathak et al., J. Chem. Phys. 150, 224506 (2019)]. We find the overall best agreement using the MB-pol and TIP4P/2005 models. We observe, upon cooling, a minimum in the position of the second shell simulated with TIP4P/2005 and SPC/E potentials, located close to the temperature of maximum density. We also calculated the two-body entropy and the contributions coming from the first, second, and outer shells to this quantity. We show that, even if the main contribution comes from the first shell, the contribution of the second shell can become important at low temperature. While real water appears to be less ordered at short distance than obtained by any of the potentials, the different water potentials show more or less order compared to the experiments depending on the considered length-scale.
REFERENCES
1.
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. M.
Pettersson
, Chem. Rev.
116
, 7463
(2016
).2.
P. G.
Debenedetti
, J. Phys.: Condens. Matter
15
, R1669
(2003
).3.
C. A.
Angell
, J.
Shuppert
, and J. C.
Tucker
, J. Phys. Chem.
77
, 3092
(1973
).4.
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
(2005
).5.
K. H.
Kim
, A.
Späh
, H.
Pathak
, F.
Perakis
, D.
Mariedahl
, K.
Amann-Winkel
, J. A.
Sellberg
, J. H.
Lee
, S.
Kim
, J.
Park
, K. H.
Nam
, T.
Katayama
, and A.
Nilsson
, Science
358
, 1589
(2017
).6.
P. H.
Poole
, F.
Sciortino
, U.
Essmann
, and H. E.
Stanley
, Nature
360
, 324
(1992
).7.
O.
Mishima
and H. E.
Stanley
, Nature
396
, 329
(1998
).8.
S.
Harrington
, P. H.
Poole
, F.
Sciortino
, and H. E.
Stanley
, J. Chem. Phys.
107
, 7443
(1997
).9.
A.
Scala
, F. W.
Starr
, E.
La Nave
, H. E.
Stanley
, and F.
Sciortino
, Phys. Rev. E
62
, 8016
(2000
).10.
V.
Holten
, D. T.
Limmer
, V.
Molinero
, and M. A.
Anisimov
, J. Chem. Phys.
138
, 174501
(2013
).11.
12.
J. C.
Palmer
, P. H.
Poole
, F.
Sciortino
, and P. G.
Debenedetti
, Chem. Rev.
118
, 9129
(2018
).13.
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
).14.
F.
Caupin
, V.
Holten
, C.
Qiu
, E.
Guillerm
, M.
Wilke
, M.
Frenz
, J.
Teixeira
, and A. K.
Soper
, Science
360
, eaat1634
(2018
).15.
K. H.
Kim
, A.
Späh
, H.
Pathak
, F.
Perakis
, D.
Mariedahl
, K.
Amann-Winkel
, J. A.
Sellberg
, J. H.
Lee
, S.
Kim
, J.
Park
, K. H.
Nam
, T.
Katayama
, and A.
Nilsson
, Science
360
, eaat1729
(2018
).16.
A. K.
Soper
and M. A.
Ricci
, Phys. Rev. Lett.
84
, 2881
(2000
).17.
A.
Nilsson
and L. G. M.
Pettersson
, Nat. Commun.
6
, 8998
(2015
).18.
L. B.
Skinner
, C. J.
Benmore
, J. C.
Neuefeind
, and J. B.
Parise
, J. Chem. Phys.
141
, 214507
(2014
).19.
D.
Schlesinger
, K. T.
Wikfeldt
, L. B.
Skinner
, C. J.
Benmore
, A.
Nilsson
, and L. G. M.
Pettersson
, J. Chem. Phys.
145
, 084503
(2016
).20.
H.
Yokoyama
, M.
Kannami
, and H.
Kanno
, Chem. Phys. Lett.
463
, 99
(2008
).21.
C.
Huang
, K. T.
Wikfeldt
, D.
Nordlund
, U.
Bergmann
, T.
McQueen
, J.
Sellberg
, L. G. M.
Pettersson
, and A.
Nilsson
, Phys. Chem. Chem. Phys.
13
, 19997
(2011
).22.
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. M.
Pettersson
, M. J.
Bogan
, and A.
Nilsson
, Nature
510
, 381
(2014
).23.
F. W.
Starr
, F.
Sciortino
, and H. E.
Stanley
, Phys. Rev. E
60
, 6757
(1999
).24.
K.
Ito
, C. T.
Moynihan
, and C. A.
Angell
, Nature
398
, 492
(1999
).25.
P.
Gallo
and M.
Rovere
, J. Chem. Phys.
137
, 164503
(2012
).26.
P.
Kumar
, K. T.
Wikfeldt
, D.
Schlesinger
, L. G. M.
Pettersson
, and H. E.
Stanley
, Sci. Rep.
3
, 1980
(2013
).27.
M.
De Marzio
, G.
Camisasca
, M.
Rovere
, and P.
Gallo
, J. Chem. Phys.
144
, 074503
(2016
).28.
E.
Duboué-Dijon
and D.
Laage
, J. Phys. Chem. B
119
, 8406
(2015
).29.
Y.
Shinohara
, W.
Dmowski
, T.
Iwashita
, B.
Wu
, D.
Ishikawa
, A. Q. R.
Baron
, and T.
Egami
, Phys. Rev. E
98
, 022604
(2018
).30.
G.
Camisasca
, N.
Galamba
, K. T.
Wikfeldt
, and L. G. M.
Pettersson
, J. Chem. Phys.
150
, 224507
(2019
).31.
J. L. F.
Abascal
and C.
Vega
, J. Chem. Phys.
123
, 234505
(2005
).32.
H. J. C.
Berendsen
, J. R.
Grigera
, and T. P.
Straatsma
, J. Phys. Chem.
91
, 6269
(1987
).33.
M. W.
Mahoney
and W. L.
Jorgensen
, J. Chem. Phys.
112
, 8910
(2000
).34.
S. K.
Reddy
, S. C.
Straight
, P.
Bajaj
, C.
Huy Pham
, M.
Riera
, D. R.
Moberg
, M. A.
Morales
, C.
Knight
, A. W.
Götz
, and F.
Paesani
, J. Chem. Phys.
145
, 194504
(2016
).35.
L. B.
Skinner
, C.
Huang
, D.
Schlesinger
, L. G. M.
Pettersson
, A.
Nilsson
, and C. J.
Benmore
, J. Chem. Phys.
138
, 074506
(2013
).36.
C.
Benmore
, L. C.
Gallington
, and E.
Soignard
, “Intermediate range order in supercooled water
,” Mol. Phys.
(published online, 2019
).37.
H.
Pathak
, A.
Späh
, K. H.
Kim
, I.
Tsironi
, D.
Mariedahl
, M.
Blanco
, S.
Huotari
, V.
Honkimäki
, and A.
Nilsson
, J. Chem. Phys.
150
, 224506
(2019
).38.
L. A.
Báez
and P.
Clancy
, J. Chem. Phys.
101
, 9837
(1994
).39.
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
(2009
).40.
M.
De Marzio
, G.
Camisasca
, M.
Rovere
, and P.
Gallo
, Front. Phys.
13
, 136103
(2018
).41.
F.
Paesani
, W.
Zhang
, D. A.
Case
, T. E.
Cheatham
, and G. A.
Voth
, J. Chem. Phys.
125
, 184507
(2006
).42.
S.
Pronk
, S.
Páll
, R.
Schulz
, P.
Larsson
, P.
Bjelkmar
, R.
Apostolov
, M. R.
Shirts
, J. C.
Smith
, P. M.
Kasson
, D.
van der Spoel
, B.
Hess
, and E.
Lindahl
, Bioinformatics
29
, 845
(2013
).43.
F.
Paesani
, MB-Pol i-PI (Version 05.2016), http://paesanigroup.ucsd.edu/software/mbpol_ipi.html, 2018
.44.
M.
Ceriotti
, J.
More
, and D. E.
Manolopoulos
, Comput. Phys. Commun.
185
, 1019
(2014
).45.
H.
Pathak
, J. C.
Palmer
, D.
Schlesinger
, K. T.
Wikfeldt
, J. A.
Sellberg
, L. G. M.
Pettersson
, and A.
Nilsson
, J. Chem. Phys.
145
, 134507
(2016
).46.
K. T.
Wikfeldt
, A.
Nilsson
, and L. G. M.
Pettersson
, Phys. Chem. Chem. Phys.
13
, 19918
(2011
).47.
M.
Riera
, E.
Lambros
, T. T.
Nguyen
, A. W.
Goetz
, and F.
Paesani
, “Low-order many-body interactions determine the local structure of liquid water
,” .48.
H.-Y.
Ko
, L.
Zhang
, B.
Santra
, H.
Wang
, W.
E
, R. A.
DiStasio
, and R.
Car
, “Isotope Effects in Liquid Water via Deep Potential Molecular Dynamics
, ” e-print arXiv:1904.04930.49.
M.
Ceriotti
, W.
Fang
, P. G.
Kusalik
, R. H.
McKenzie
, A.
Michaelides
, M. A.
Morales
, and T. E.
Markland
, Chem. Rev.
116
, 7529
(2016
).50.
L.
Hernández de la Peña
and P. G.
Kusalik
, J. Chem. Phys.
125
, 054512
(2006
).51.
R. A.
Kuharski
and P. J.
Rossky
, J. Chem. Phys.
82
, 5164
(1985
).52.
G. R.
Medders
, V.
Babin
, and F.
Paesani
, J. Chem. Theory Comput.
10
, 2906
(2014
).53.
J. W.
Biddle
, R. S.
Singh
, E. M.
Sparano
, F.
Ricci
, M. A.
González
, C.
Valeriani
, J. L. F.
Abascal
, P. G.
Debenedetti
, M. A.
Anisimov
, and F.
Caupin
, J. Chem. Phys.
146
, 034502
(2017
).54.
R.
Sharma
, S. N.
Chakraborty
, and C.
Chakravarty
, J. Chem. Phys.
125
, 204501
(2006
).55.
P.
Gallo
and M.
Rovere
, Phys. Rev. E
91
, 012107
(2015
).56.
M. E.
Johnson
and T.
Head-Gordon
, J. Chem. Phys.
130
, 214510
(2009
).57.
M.
Agarwal
, M. P.
Alam
, and C.
Chakravarty
, J. Phys. Chem. B
115
, 6935
(2011
).58.
J.
Zielkiewicz
, J. Chem. Phys.
123
, 104501
(2005
).© 2019 Author(s).
2019
Author(s)
You do not currently have access to this content.