Estrutura e propriedades topológicas de redes de ligação de hidrogênio em líquidos: água, água confinada, HCN e HNC

Abstract

Inúmeros líquidos, especialmente, água, álcoois, dentre outros, apresentam interações por ligações de hidrogênio que causam sua estruturação e que são responsáveis por propriedades físico-químicas peculiares, inclusive anômalas. Para a análise de redes de ligações de hidrogênio de líquidos formados por água (H₂O), cianeto de hidrogênio (HCN) e seu tautômero, o isocianeto de hidrogênio (HNC), foram obtidas estruturas por meio de simulações computacionais. Foram utilizados potenciais empíricos com os métodos Monte Carlo (MC) e dinâmica molecular (MD), assim como potenciais quânticos, para o HCN líquido, com o método de dinâmica molecular Born-Oppenheimer (BOMD). As redes de ligações de hidrogênio foram avaliadas pelas suas propriedades topológicas e estatística de ilhas. Investigamos como o comportamento das estruturas de água varia com a temperatura a fim estabelecer uma correlação entre suas propriedades topológicas e as evidências de transição de fase estrutural do líquido em temperaturas acima de 47 °C. De fato, algumas propriedades topológicas dessas redes apresentam dependência com a temperatura com indícios de padrões de pequeno mundo nos líquidos em temperatura acima daquela com compressibilidade mínima (47 °C). As propriedades topológicas das redes de ligações de hidrogênio formadas por água confinada em micelas ImS-314 indicam variações significativas de comportamento, por exemplo, de pequenos mundos para percolação quando a quantidade de água aumenta no núcleo da micela reversa. Na investigação do comportamento dos líquidos HCN e HNC por simulações com potenciais empíricos, foram identificadas propriedades topológicas típicas de redes aleatórias, entretanto, quando a condição geométrica se tornou mais restrita com relação à distância da ligação de hidrogênio, as redes adquiriram comportamento de pequeno mundo. Esse comportamento de pequeno mundo também foi obtido em simulações com potenciais quânticos para o HCN líquido, provavelmente devido à cooperatividade entre as interações de ligação de hidrogênio. As redes HCN e HNC podem ter características ainda mais complexas quando avaliadas diferentes composições e misturas entre seus componentes e outros solventes.