L'eau peut sembler une quantité connue. Il y a, cependant, encore des aspects de l'eau qui restent inconnus des scientifiques. Eau pure, c'est-à-dire de l'eau sans aucune trace supplémentaire, possède encore des propriétés complexes qui doivent encore être pleinement comprises par les scientifiques. Pour déverrouiller ces propriétés, les scientifiques utilisent la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), un cadre de structure électronique, pour étudier les forces et l'interaction entre les molécules d'eau. Les scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) dirigés par Mirza Galib, Gregory K. Schenter et Christopher J. Mundy ont testé un protocole de simulation DFT ajusté pour prouver qu'il peut être étendu pour simuler des propriétés de l'eau plus complexes. Les tests se sont avérés efficaces pour simuler les mesures de référence de l'eau.

L'eau est trompeuse dans sa complexité. L'eau pure contient un réseau de liaisons hydrogène en raison des ions oxygène négatifs voulant se lier aux ions hydrogène positifs. De nombreuses propriétés de l'eau reposent sur la création et la rupture de ces liaisons hydrogène et sur un certain taux, temps et énergie. Pour l'eau liquide dans certains complexes, environnement stressé et hétérogène, certaines des propriétés de l'eau n'ont pas encore été entièrement comprises. Les scientifiques utilisent des simulations informatiques pour simuler ces propriétés. Ces simulations doivent être correctement calibrées pour garantir la qualité des données produites. L'eau est un solvant universel. Ses propriétés et sa réponse contrôlent de nombreux processus et phénomènes. Sa compréhension fondamentale peut être étendue à la résolution de la santé pratique, l'énergie et les enjeux environnementaux.

"L'eau est vraiment compliquée d'un point de vue chimique, " dit Galib, chimiste. "Donc, régler ces simulations pour qu'elles soient précises est un véritable défi."

Les propriétés dynamiques et structurelles de l'eau peuvent être analysées grâce à des simulations informatiques avancées. À l'aide d'ordinateurs puissants, les scientifiques ont utilisé une technique de mécanique quantique fondée sur la DFT. Une méthode de mécanique quantique, La DFT est utilisée en physique, la chimie et les sciences des matériaux pour examiner la structure électronique des molécules, qui fait référence aux propriétés des électrons dans le champ électrostatique entourant les noyaux.

La DFT n'est pas sans défauts. Il y a eu de nombreuses études sur l'efficacité et la précision de la DFT, en particulier en ce qui concerne les propriétés de l'eau en vrac et interfaciales. Le défi pour les scientifiques est de s'appuyer sur la DFT pour créer un protocole capable de simuler efficacement les propriétés complexes et précises de l'eau.

"Si nous sommes assez bons pour comprendre les forces entre les molécules à l'aide d'outils de mécanique statistique, nous pouvons régler, prédire, maîtriser et comprendre ces propriétés complexes, " dit Schenter, chimiste.

Avec ça en tête, les scientifiques du PNNL ont testé une version révisée du Perdew-Burke-Ernzerhof plus la troisième génération de dispersion de Grimme (revPBE-D3) pour simuler une image claire des fluctuations de densité de masse dans l'eau pure.

Le test a prouvé que le protocole revPBE-D3 est précis pour déterminer les mesures de base de l'eau pure. En outre, les résultats ont corroboré des études antérieures sur l'utilisation des potentiels d'interaction DFT et ont clarifié les incohérences dans les propriétés thermodynamiques de l'eau.

Après avoir prouvé que le revPBE-D3 est précis dans la simulation des propriétés de l'eau de base, l'étape suivante consiste à tester des simulations plus complexes en utilisant le même protocole.