Análise topológica de redes de ligações de hidrogênio em um sistema modelo

Abstract

Uma análise das propriedades topológicas locais e globais das redes de ligações de hidrogênio entre as moléculas de água, geradas a partir de simulações em condições próximas da supercrítica com o método de Monte Carlo (MC-NPT), utilizando o modelo de cinco sítios (TIP5P) para descrever as interações intermoleculares, indica o aparecimento de padrões típicos de pequenos-mundos (smallword), isto é, alto grau de agrupamento e pequenos tamanhos de ilhas. Em condições normais de temperatura e pressão, estas redes não apresentam tais padrões, pois se observa um alto grau de agregação e a percolação do sistema (Ref. 1). Neste trabalho, realizamos simulações computacionais MC-NPT nas condições normais (298 K e 1 atm) para a água, onde introduzimos no potencial de interação eletrostática um fator de amortecimento que modifica as cargas dos sítios de hidrogênios e de pares isolados, permitindo assim, de forma controlada, reduzir a formação das ligações de hidrogênio. Nossos resultados para o coeficiente de agrupamento (C), a conectividade média ( k ) e a distância química (L), em função do fator de amortecimento &#955; (0,7 &#8804; &#955; &#8804; 1), indicam que o sistema exibe uma transição de fase topológica em &#955;c= 0,75, separando as regiões de pequenos e grandes valores de C e k , para &#955; < &#955;c e &#955; > &#955;c, respectivamente. Nossa análise de estatística de ilhas mostra que na região &#955; > &#955;c tem-se a formação de um agregado com cerca de 99% dos componentes, enquanto que para &#955; < &#955;c ocorre um grande número de monômeros, dímeros e trímeros e não há mais a percolação do sistema. O comportamento do coeficiente de agrupamento e da distância química em função do parâmetro &#955;, exibe semelhança com o resultado obtido por Watts e Strogatz (Ref. 2), no qual caracterizam uma região de pequenos mundos. A razão C/Crand, onde Crand é o coeficiente de agrupamento de redes aleatórias com o mesmo número de nós (N), é independente do valor de &#955;, e varia linearmente com N com coeficiente angular dado pela razão C / k = 1/6. O grau de distribuição de ligações para estas redes mostra que, para a região &#955; > &#955;c, a distribuição é muito similar a uma distribuição de Poisson, mostrando que a rede se comporta como uma rede aleatória, mas para valores de &#955; < &#955;c, a distribuição passa a ser assimétrica e bastante diferente da distribuição de Poisson. Cálculos das propriedades termodinâmicas, como densidade, entalpia, e entalpia de vaporização, também são indicativos da ocorrência de uma transição de fase topológica em &#955;c= 0,75