Modeling Goldberg polyhedral like water nanobubbles structure stability using density functional theory

Abstract

Experimentally, it has been confirmed that water nanobubbles persist in their environment for extended periods. However, according to the Epstein and Plesset theory, their lifetimes should be short, suggesting thermodynamic instability. Although continuum theories have attempted to explain their stability, they lack empirical evidence. To address this issue, we propose a molecular model of water nanobubbles based on Goldberg polyhedral structures (GP) and examine their stability under various conditions using density functional theory (DFT). Due to the higher number of hydrogen atoms than edges in the GP, we have unbound H atoms, resulting in multiple configurations for each GP. We hypothesize that the most stable configurations are the "least polar" structures, where the distribution of free hydrogen atoms around the GP is uniform. We implemented an algorithm to produce the least polar atomistic configurations, and then we used geometric optimization (GO) techniques to minimize the energy of these structures under various conditions in order to verify the stability of our structures and their suitability as a model for water nanobubbles. Geometry optimizations were conducted under the following conditions: isolation, consideration of solvent effects using COSMO (COnductor-like-Screening-Model), and immersion in an explicit solvent (water). This was applied to water structures with GP(1,0), GP(1,1), and GP(2,0) geometries. Additionally, we evaluated the influence of hydrogen configuration by constructing more polar structures and comparing parameters such as total energy, HOMO-LUMO gap, and dipole moment. Our analysis revealed that structures in the least polar configuration remained stable without bond breakage after GO, even under different solvent conditions, suggesting that our model is an effective representation of small water nanobubbles. Furthermore, our research highlighted the influence of hydrogen atom configuration on structural stability. We also observed changes in HOMO and LUMO orbitals between the least polar and other configurations, particularly in proximity to neighboring free hydrogen atoms. This phenomenon was reflected in the dipole moment, which increased with a greater number of adjacent free hydrogen atoms. Consequently, structures with higher dipole moments exhibited bond breakage after geometric optimization, highlighting the influence of polarity on the stability of our proposed structures.

Experimentalmente, se ha corroborado que las nanoburbujas de agua persisten en su entorno durante largos periodos, pero según la teoría de Epstein y Plesset, sus tiempos de vida deberían ser cortos, lo que sugiere una inestabilidad termodinámica. Aunque las teorías de continuo han intentado explicar su estabilidad, carecen de evidencia empírica. Para abordar este problema, proponemos un modelo molecular de nanoburbujas de agua basado en las estructuras poliédricas de Goldberg (GP) y examinamos su estabilidad bajo diversas condiciones utilizando la teoría del funcional de densidad (DFT). Debido a la mayor cantidad de hidrógenos que aristas en el GP, tendremos átomos de H sin enlazar, y, por tanto, múltiples configuraciones para cada GP. Hipotetizamos que las más estables son las estructuras "menos polares", donde la distribución de los hidrógenos libres alrededor del GP es uniforme. Para confirmar la estabilidad de nuestras estructuras y su viabilidad como modelo de nanoburbujas de agua, implementamos un algoritmo para generar las configuraciones atómicas menos polares, las cuales fueron analizadas mediante optimización geométrica (GO) bajo diferentes condiciones: aislamiento, considerando el efecto del solvente mediante COSMO (COnductor-like-Screening-Model), e inmersión en solvente explícito (agua). Esto se aplicó a estructuras de agua con geometrías GP(1,0), GP(1,1) y GP(2,0). Asimismo, evaluamos la influencia de la configuración de los H construyendo estructuras más polares y comparando parámetros como la energía total, la brecha HOMO-LUMO y el momento dipolar. Nuestro análisis reveló que las estructuras en la configuración menos polar permanecieron estables sin rotura de enlaces después de la GO, incluso bajo diferentes condiciones de solvente, lo que sugiere que nuestro modelo es una representación efectiva de nanoburbujas de agua pequeñas. Además, nuestra investigación resaltó la influencia de la configuración de los átomos de H en la estabilidad estructural. Observamos también cambios en los orbitales HOMO y LUMO entre las configuraciones menos polares y las demás, particularmente en la proximidad a átomos de hidrógeno libres como vecinos cercanos. Este fenómeno se reflejó en el momento dipolar, que aumentó con un mayor número de hidrógenos libres adyacentes. En consecuencia, las estructuras con momentos dipolares más altos exhibieron rotura de enlaces después de la optimización de geometría, destacando la influencia de la polaridad en la estabilidad de nuestras estructuras propuestas.