L'acqua può sembrare una quantità nota. Ci sono, però, ancora aspetti dell'acqua che rimangono sconosciuti agli scienziati. Acqua pura, cioè acqua senza tracce di materiale aggiuntivo, ha ancora proprietà complesse che devono ancora essere completamente comprese dagli scienziati. Per sbloccare queste proprietà, gli scienziati usano la teoria del funzionale della densità (DFT), un quadro di struttura elettronica, studiare le forze e l'interazione tra le molecole d'acqua. Scienziati del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) guidati da Mirza Galib, Gregory K. Schenter e Christopher J. Mundy hanno testato un protocollo di simulazione DFT adattato per dimostrare che può essere esteso per simulare proprietà dell'acqua più complesse. I test si sono rivelati efficaci nella simulazione delle misurazioni dell'acqua di base.

L'acqua è ingannevole nella sua complessità. L'acqua pura contiene una rete di legami a idrogeno dovuta agli ioni di ossigeno negativi che vogliono legarsi con gli ioni di idrogeno positivi. Molte delle proprietà dell'acqua dipendono dalla creazione e dalla rottura di questi legami idrogeno e da una certa velocità, tempo ed energia. Per l'acqua liquida in alcuni complicati, ambiente stressato ed eterogeneo, alcune delle proprietà dell'acqua devono ancora essere completamente comprese. Gli scienziati utilizzano simulazioni al computer per simulare queste proprietà. Queste simulazioni devono essere adeguatamente calibrate per garantire la qualità dei dati prodotti. L'acqua è un solvente universale. Le sue proprietà e la sua risposta controllano molti processi e fenomeni. La sua comprensione fondamentale può essere estesa alla risoluzione della salute pratica, energia e le sfide ambientali.

"L'acqua è davvero complicata da un punto di vista chimico, "dice Galib, chimico. "Quindi mettere a punto queste simulazioni per essere accurate è una vera sfida".

Le proprietà dinamiche e strutturali dell'acqua possono essere analizzate attraverso avanzate simulazioni al computer. Utilizzando computer ad alta potenza, gli scienziati hanno utilizzato tecniche di meccanica quantistica basate sulla DFT. Un metodo quantomeccanico, DFT è usato in fisica, chimica e scienze dei materiali per esaminare la struttura elettronica delle molecole, che si riferisce alle proprietà degli elettroni nel campo elettrostatico che circonda i nuclei.

Il DFT non è privo di difetti. Ci sono stati molti studi sull'efficacia e l'accuratezza della DFT, specialmente per quanto riguarda le proprietà dell'acqua di massa e di interfaccia. La sfida per gli scienziati è quella di basarsi su DFT per creare un protocollo in grado di simulare efficacemente proprietà dell'acqua complesse e accurate.

"Se siamo abbastanza bravi a comprendere le forze tra le molecole utilizzando strumenti di meccanica statistica, possiamo sintonizzarci, prevedere, controllare e comprendere queste proprietà complesse, "dice Schenter, scienziato chimico.

Con questo in testa, gli scienziati del PNNL hanno testato una versione rivista del Perdew-Burke-Ernzerhof più la terza generazione di dispersione di Grimme (revPBE-D3) per simulare un quadro chiaro delle fluttuazioni della densità di massa nell'acqua pura.

Il test ha dimostrato che il protocollo revPBE-D3 è accurato nel determinare le misurazioni di base dell'acqua pura. Inoltre, i risultati hanno confermato gli studi precedenti sull'utilizzo dei potenziali di interazione DFT e hanno chiarito le incongruenze nelle proprietà termodinamiche dell'acqua.

Dopo aver dimostrato che revPBE-D3 è accurato nella simulazione delle proprietà dell'acqua di base, il passaggio successivo consiste nel testare simulazioni più complesse utilizzando lo stesso protocollo.