In this study, we investigated the structural and dynamical properties of liquid water by using ab initio molecular dynamics simulation under periodic boundary conditions based on the fragment-based quantum mechanical approach. This study was carried out using the second-order Møller-Plesset perturbation theory (MP2) with the aug-cc-pVDZ basis set, which has been validated to be sufficiently accurate for describing water interactions. Diverse properties of liquid water, including radial distribution functions, diffusion coefficient, dipole moment, triplet oxygen-oxygen-oxygen angles, and hydrogen-bond structures, were simulated. This ab initio description leads to these properties in good agreement with experimental observations. This computational approach is general and transferable, providing a comprehensive framework for ab initio predictions of properties of condensed-phase matters.

[1]
J. C.
Palmer
,
P. H.
Poole
,
F.
Sciortino
, and
P. G.
Debenedetti
,
Chem. Rev.
118
,
9129
(
2018
).
[2]
Y.
Ding
,
A. A.
Hassanali
, and
M.
Parrinello
,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
111
,
3310
(
2014
).
[3]
J. R.
Errington
and
P. G.
Debenedetti
,
Nature
409
,
318
(
2001
).
[6]
[7]
A.
Hassanali
,
F.
Giberti
,
J.
Cuny
,
T. D.
Kuhne
, and
M.
Parrinello
,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
110
,
13723
(
2013
).
[8]
G.
Stirnemann
,
E.
Wernersson
,
P.
Jungwirth
, and
D.
Laage
,
J. Am. Chem. Soc.
135
,
11824
(
2013
).
[10]
J. F.
Liu
,
X.
He
, and
J. Z. H.
Zhang
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
19
,
11931
(
2017
).
[11]
T.
Morawietz
,
A.
Singraber
,
C.
Dellago
, and
J.
Behler
,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
113
,
8368
(
2016
).
[12]
O.
Mishima
and
H. E.
Stanley
,
Nature
396
,
329
(
1998
).
[14]
R.
Bukowski
,
K.
Szalewicz
,
G. C.
Groenenboom
, and
A.
van der Avoird
,
Science
315
,
1249
(
2007
).
[15]
J. C.
Palmer
,
F.
Martelli
,
Y.
Liu
,
R.
Car
,
A. Z.
Panagiotopoulos
, and
P. G.
Debenedetti
,
Nature
510
,
385
(
2014
).
[16]
A. P.
Gaiduk
,
J.
Gustafson
,
F.
Gygi
, and
G.
Galli
,
J. Phys. Chem. Lett.
9
,
3068
(
2018
).
[17]
T.
Ohto
,
M.
Dodia
,
S.
Imoto
, and
Y.
Nagata
,
J. Chem. Theory Comput.
15
,
595
(
2019
).
[18]
T.
Urbic
and
K. A.
Dill
,
J. Am. Chem. Soc.
140
,
17106
(
2018
).
[19]
T.
Morawietz
,
O.
Marsalek
,
S. R.
Pattenaude
,
L. M.
Streacker
,
D.
Ben-Amotz
, and
T. E.
Markland
,
J. Phys. Chem. Lett.
9
,
851
(
2018
).
[20]
A.
Luzar
and
D.
Chandler
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
928
(
1996
).
[21]
G.
Miceli
,
J.
Hutter
, and
A.
Pasquarello
,
J. Chem. Theory Comput.
12
,
3456
(
2016
).
[22]
L. X.
Zheng
,
M. H.
Chen
,
Z. R.
Sun
,
H. Y.
Ko
,
B.
Santra
,
P.
Dhuvad
, and
X. F.
Wu
,
J. Chem. Phys.
148
,
164505
(
2018
).
[23]
F.
Ambrosio
,
G.
Miceli
, and
A.
Pasquarello
,
J. Phys. Chem. B
120
,
7456
(
2016
).
[24]
D.
Laage
and
J. T.
Hynes
,
Science
311
,
832
(
2006
).
[26]
G. R.
Medders
,
V.
Babin
, and
F.
Paesani
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
2906
(
2014
).
[27]
B. Q.
Cheng
,
E. A.
Engel
,
J.
Behler
,
C.
Dellago
, and
M.
Ceriotti
,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
116
,
1110
(
2019
).
[28]
J.
VandeVondele
,
F.
Mohamed
,
M.
Krack
,
J.
Hutter
,
M.
Sprik
, and
M.
Parrinello
,
J. Chem. Phys.
122
,
014515
(
2005
).
[29]
R. A.
DiStasio
,
B.
Santra
,
Z. F.
Li
,
X. F.
Wu
, and
R.
Car
,
J. Chem. Phys.
141
,
084502
(
2014
).
[30]
A.
Tkatchenko
and
M.
Scheffler
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
073005
(
2009
).
[31]
M.
Chen
,
H. Y.
Ko
,
R. C.
Remsing
,
M. F. C.
Andrade
,
B.
Santra
,
Z. R.
Sun
,
A.
Selloni
,
R.
Car
,
M. L.
Klein
,
P J. P.
erdew
, and
X. F.
Wu
,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
114
,
10846
(
2017
).
[32]
A. P.
Gaiduk
,
F.
Gygi
, and
G.
Galli
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
2902
(
2015
).
[33]
J.
Wang
,
G.
Roman-Perez
,
J. M.
Soler
,
E.
Artacho
, and
M. V.
Fernandez-Serra
,
J. Chem. Phys.
134
,
024516
(
2011
).
[34]
M. J.
Gillan
,
D.
Alfe
, and
A.
Michaelides
,
J. Chem. Phys.
144
,
130901
(
2016
).
[35]
S.
Yoo
,
X. C.
Zeng
, and
S. S.
Xantheas
,
J. Chem. Phys.
130
,
221102
(
2009
).
[36]
S.
Yoo
and
S. S.
Xantheas
,
J. Chem. Phys.
134
,
121105
(
2011
).
[37]
M. J.
McGrath
,
J. I.
Siepmann
,
I. F. W.
Kuo
,
C. J.
Mundy
,
J.
VandeVondele
,
J.
Hutter
,
F.
Mohamed
, and
M.
Krack
,
J. Phys. Chem. A
110
,
640
(
2006
).
[38]
S. Y.
Willow
,
M. A.
Salim
,
K. S.
Kim
, and
S.
Hirata
,
Sci. Rep.
5
,
14358
(
2015
).
[39]
T.
Spura
,
C.
John
,
S.
Habershon
, and
T. D.
Kuhne
,
Mol. Phys.
113
,
808
(
2015
).
[40]
L. P.
Wang
,
J. H.
Chen
, and
T.
Van Voorhis
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
452
(
2013
).
[41]
L. P.
Wang
,
T. J.
Martinez
, and
V. S.
Pande
,
J. Phys. Chem. Lett.
5
,
1885
(
2014
).
[42]
Y. M.
Wang
and
J. M.
Bowman
,
Chem. Phys. Lett.
491
,
1
(
2010
).
[43]
A. P.
Bartok
,
M. J.
Gillan
,
F. R.
Manby
, and
G.
Csanyi
,
Phys. Rev. B
88
,
054104
(
2013
).
[44]
J. F.
Liu
,
T.
Zhu
,
X. W.
Wang
,
X.
He
, and
J. Z. H.
Zhang
,
J. Chem. Theory Comput.
11
,
5897
(
2015
).
[45]
X.
Wang
,
J.
Liu
,
J. Z. H.
Zhang
, and
X.
He
,
J. Phys. Chem. A
117
,
7149
(
2013
).
[46]
X.
He
,
T.
Zhu
,
X. W.
Wang
,
J. F.
Liu
, and
J. Z. H.
Zhang
,
Acc. Chem. Res.
47
,
2748
(
2014
).
[47]
J. F.
Liu
,
J. Z. H.
Zhang
, and
X.
He
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
,
1864
(
2016
).
[48]
J. F.
Liu
,
X. W.
Wang
,
J. Z. H.
Zhang
, and
X.
He
,
Rsc Adv.
5
,
107020
(
2015
).
[49]
J. F.
Liu
,
L. W.
Qi
,
J. Z. H.
Zhang
, and
X.
He
,
J. Chem. Theory Comput.
13
,
2021
(
2017
).
[50]
J. F.
Liu
and
X.
He
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
22
,
12341
(
2020
).
[51]
J. F.
Liu
,
Y. Q.
Liu
,
J. R.
Yang
,
X. C.
Zeng
, and
X.
He
,
J. Phys. Chem. Lett.
12
,
3379
(
2021
).
[52]
J. F.
Liu
,
J. R.
Yang
,
X. C.
Zeng
,
S. S.
Xantheas
,
K.
Yagi
, and
X.
He
,
Nat. Commun.
12
,
6141
(
2021
).
[53]
J. F.
Liu
,
X.
He
,
J. Z. H.
Zhang
, and
L. W.
Qi
,
Chem. Sci.
9
,
2065
(
2018
).
[54]
J. F.
Liu
,
J. Z. H.
Zhang
, and
X.
He
,
J. Phys. Chem. B
122
,
10202
(
2018
).
[55]
J. F.
Liu
and
X.
He
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
19
,
20657
(
2017
).
[56]
Q. N.
Lu
,
X.
He
,
W. X.
Hu
,
X. J.
Chen
, and
J. F.
Liu
,
J. Phys. Chem. C
123
,
12052
(
2019
).
[57]
M. J.
Frisch
,
G. W.
Trucks
,
H. B.
Schlegel
,
G. E.
Scuseria
,
M. A.
Robb
,
J. R.
Cheeseman
,
G.
Scalmani
,
V.
Barone
,
B.
Mennucci
,
G. A.
Petersson
,
H.
Nakatsuji
,
M.
Caricato
,
X.
Li
,
H. P.
Hratchian
,
A. F.
Izmaylov
,
J.
Bloino
,
G.
Zheng
,
J. L.
Sonnenberg
,
M.
Hada
,
M.
Ehara
,
K.
Toyota
,
R.
Fukuda
,
J.
Hasegawa
,
M.
Ishida
,
T.
Nakajima
,
Y.
Honda
,
O.
Kitao
,
H.
Nakai
,
T.
Vreven
,
J. A. J.
Montgomery
,
J. E.
Peralta
,
F.
Ogliaro
,
M.
Bearpark
,
J. J.
Heyd
,
E.
Brothers
,
K. N.
Kudin
,
V. N.
Staroverov
,
T.
Keith
,
R.
Kobayashi
,
J.
Normand
,
K.
Raghavachari
,
Rendell
,
A. J. C.
Burant
,
S. S.
Iyengar
,
J.
Tomasi
,
M.
Cossi
,
N.
Rega
,
J. M.
Millam
,
M.
Klene
,
J. E.
Knox
,
J. B.
Cross
,
V.
Bakken
,
C.
Adamo
,
J.
Jaramillo
,
R.
Gomperts
,
R. E.
Stratmann
,
O.
Yazyev
,
A. J.
Austin
,
R.
Cammi
,
C.
Pomelli
,
J. W.
Ochterski
,
R. L.
Martin
,
K.
Morokuma
,
V. G.
Zakrzewski
,
G. A.
Voth
,
P.
Salvador
,
J. J.
Dannenberg
,
S.
Dapprich
,
A. D.
Daniels
,
O.
Farkas
,
J. B.
Foresman
,
J. V.
Ortiz
,
J.
Cioslowski
, and
D. J.
Fox
,
Gaussian 09, Revision B.01
,
Wallingford CT
:
Gaussian Inc
., (
2010
).
[58]
Y. J.
Wu
,
H. L.
Tepper
, and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Phys.
124
,
024503
(
2006
).
[59]
D. A.
Case
,
T. E.
Cheatham
,
T.
Darden
,
H.
Gohlke
,
R.
Luo
,
K. M.
Merz
,
A.
Onufriev
,
C.
Simmerling
,
B.
Wang
, and
R. J.
Woods
,
J. Comput. Chem.
26
,
1668
(
2005
).
[60]
R. W.
Pastor
,
B. R.
Brooks
, and
A.
Szabo
,
Mol. Phys.
65
,
1409
(
1988
).
[61]
L. B.
Skinner
,
C. C.
Huang
,
D.
Schlesinger
,
L. G. M.
Pettersson
,
A.
Nilsson
, and
C. J.
Benmore
,
J. Chem. Phys.
138
,
074506
(
2013
).
[62]
A. K.
Soper
and
C. J.
Benmore
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
065502
(
2008
).
[63]
A.
Zeidler
,
P. S.
Salmon
,
H. E.
Fischer
,
J. C.
Neuefeind
,
J. M.
Simonson
, and
T. E.
Markland
,
J. Phys.: Condens. Mat.
24
,
284126
(
2012
).
[64]
O.
Marsalek
and
T. E.
Markland
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
1545
(
2017
).
[65]
P.
Wernet
,
D.
Nordlund
,
U.
Bergmann
,
M.
Cavalleri
,
M.
Odelius
,
H.
Ogasawara
,
L. A.
Naslund
,
T. K.
Hirsch
,
L.
Ojamae
,
P.
Glatzel
,
L. G. M.
Pettersson
, and
A.
Nilsson
,
Science
304
,
995
(
2004
).
[66]
M.
Holz
,
S. R.
Heil
, and
A.
Sacco
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
2
,
4740
(
2000
).
[67]
K.
Laasonen
,
M.
Sprik
,
M.
Parrinello
, and
R.
Car
,
J. Chem. Phys.
99
,
9080
(
1993
).
[68]
P. L.
Silvestrelli
and
M.
Parrinello
,
Phys. Rev. Lett.
82,
3308
(
1999
).
[69]
[70]
J. K.
Gregory
,
D. C.
Clary
,
K.
Liu
,
M. G.
Brown
, and
R. J.
Saykally
,
Science
275
,
814
(
1997
).
[71]
Y. S.
Badyal
,
M. L.
Saboungi
,
D. L.
Price
,
S. D.
Shastri
,
D. R.
Haeffner
, and
A. K.
Soper
,
J. Chem. Phys.
112
,
9206
(
2000
).
This content is only available via PDF.
You do not currently have access to this content.