Local ordering and dynamics of plastic crystals

Abstract

Many materials of scientific interest show a disordered phase, with their molecules presenting positional disorder, orientational disorder or both. Processes of interest to life also occur in these kind of phases as it is the case of liquid water present in many biochemical problems of interest such as protein folding. The study of these disordered phases is inherently difficult due to their lack of periodicity as in ordered crystals. In this work, molecular dynamics simulations (MD) are used to study two disordered phases: the liquid and the plastic crystal. The configurations obtained by MD are analyzed using different methodologies to obtain insights into the local ordering of the molecules and into their dynamics. The local ordering of the systems is studied using the Euler angles method considering the molecules as rigid bodies. Probability distributions describing the positional and orientational molecular ordering are obtained. These probability distributions are analysed using information theory concepts that provide a deeper understanding of the results. Two systems of interest are studied: hexachloroethane and water. The structure of the liquid and plastic crystal phases of hexacloroethane are investigated and the results from MD and the local ordering analyses are compared to previous works using simulations and neutron diffraction experiments. A Bayesian approach is used in order to obtain the intra-molecular structure of the molecule from the neutron diffraction experimental data, a set of parameters in better agreement with the plastic phase is obtained compared to previous electron diffraction experiments. Liquid water at room conditions is studied on the short range order, presenting a contribution to the ongoing topic of its local structure. The ordering of water at distances beyond the first hydration shell is also studied using the information theory approach. Findings of this work support recent experimental and simulation data showing the existance of long range correlations in water. Finally, plastic crystals phases of water found at high pressures by MD are studied and compared to a high pressure liquid and the ice vii form by comparing their local ordering and dynamics. The methodologies used in this work provide a powerful technique to analyse disordered phases and the results obtained will contribute to the understanding on the structure of such phases.

Muchos materiales de interés científico se presentan en fases desordenadas, donde las moléculas se encuentran desordenadas posicionalmente, orientacionalmente o ambas. Así mismo, procesos que son importantes para la vida se desarrollan en este tipo de fases. Un ejemplo de ello es el caso del agua líquida que está presente en muchos de los problemas importantes en bioquímica, como el plegamiento de proteínas. El estudio de estas fases desordenadas es inherentemente complejo debido a que no presentan periodicidad en la estructura como en el caso de sólidos cristalinos. En este trabajo se usa la simulación mediante dinámica molecular (MD) para estudiar dos fases desordenadas: el líquido y el cristal plástico. Las configuraciones obtenidas por MD son analizadas usando diferentes metodologías para entender el ordenamiento local y la dinámica de estas fases. El ordenamiento local de los sistemas se estudia usando el método de ángulos de Euler considerando las moléculas como cuerpos rígidos. Se obtienen distribuciones de probabilidad que describen el ordenamiento molecular posicional y orientacional. Estas distribuciones de probabilidad se analizan usando conceptos de teoría de la información que permiten entender mejor los resultados obtenidos. Se estudian dos sistemas de interés: hexacloroetano y agua. La estructura de las fases líquida y de cristal plástico en el hexacloroetano son investigadas y los resultados de MD y de los análisis de ordenamiento local son comparados con resultados previos de simulación y de difracción de neutrones. La estructura intra molecular del hexacloroetano se estudia usando análisis bayesiano haciendo un fit de los datos de difracción de neutrones, el conjunto de parámetros obtenidos mejoran resultados previos de experimentos de difracción por electrones respecto a la fase plástica. Se investiga el orden de corto alcance del agua a temperatura ambiente, contribuyendo al debate sobre su estructura local que es un tema aún abierto. El órden del agua para distancias más allá de los primeros vecinos también se estudia usando el enfoque de la teoría de la información. Los resultados encontrados dan soporte a experimentos y simulaciones recientes que muestran correlaciones de largo alcance en el agua. FInalmente, se estudian las fases plásticas del agua halladas recientemente por MD a altas presiones. Estas fases se comparan con una fase líquida a alta presión y con el hielo vii tanto en su ordenamiento local, como su dinámica. Las metodologías usadas en este trabajo constituyen una herramienta clave para el análisis de fases desordenadas y los resultados obtenidos contribuirán al entendimiento de la estructura de tales fases.