ЛОКАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛЯ НА ЯДРЕ 14N И ПРОЦЕССЫ ЯДЕРНОЙ КВАДРУПОЛЬНОЙ РЕЛАКСАЦИИ В РАЗБАВЛЕННЫХ ВОДНЫХ РАСТВОРАХ, СОДЕРЖАЩИХ НИТРАТ-АНИОН, ПО ДАННЫМ МЕТОДА AB INITIO МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ
Егорова М.И., Голубева П.А., Егоров А.В., Чижик В.И.
Санкт-Петербургский государственный университет, 
г. Санкт-Петербург
maryaverina@gmail.com

Среди экспериментальных методов, используемых для изучения физико-химических процессов в растворах, широкое распространение получили методики, связанные с измерением скоростей магнитной релаксации ядер. Подобный подход является важным источником информации о структурных и динамических свойствах жидкостей. Однако получение достоверных данных о микроскопических свойствах растворов является крайне сложной задачей. Многообразие параллельно протекающих молекулярных процессов зачастую не позволяет однозначно связать измеряемые в эксперименте величины с микроскопическими характеристиками исследуемой системы. В результате, одни и те же релаксационные данные могут различно интерпретироваться разными авторами.
В последние годы для анализа экспериментальных данных по квадрупольной релаксации активно привлекаются методы компьютерного моделирования, которые используются для расчета флуктуаций компонентов тензора градиента электрического поля (ГЭП) на квадрупольных ядрах (см., например, статью [1] и ссылки в ней). Привлечение моделирования позволяет существенно повысить полноту и достоверность интерпретации результатов эксперимента. В рамках данной работы расчеты проводились с использованием метода молекулярной динамики Кар-Парринелло, представляющего собой комбинацию классической молекулярной динамики и теории функционала электронной плотности.

Сферическое распределение атомов кислорода (черный цвет) и водорода (серый) молекулы воды вокруг нитрат-аниона. Уровень интенсивности относительно средней плотности распределения указанных атомов в модельной ячейке – 4 и 3.5, соответственно.

В работе представлены результаты моделирования бесконечно разбавленного водного раствора, содержащего нитрат-анион (1 ион на 48 молекул воды в модельной ячейке) при комнатной температуре. Для рассмотренной системы детально проанализирована структура первой гидратной оболочки нитрат-аниона – рассчитаны функции радиального распределения, соответствующие координационные числа, функции пространственного распределения молекул воды вокруг аниона (см. рисунок). Оценены времена вращательных переориентаций молекул воды в первой гидратной оболочке нитрат-аниона, величины компонентов тензора ГЭП в точке расположения атома азота и скорость квадрупольной релаксации ядра 14N. 

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 13-03-01073).

[1] Badu S., Truflandier L., Autschbach J. Quadrupolar NMR spin relaxation calculated using ab initio molecular dynamics: group 1 and group 17 ions in aqueous solution// J. Chem. Theor. Comput. 2013. V. 9. P. 4074-4086.