Обнаружено новое фазовое состояние нанолокализованной воды — Naked Science
06.08.2020
ФизТех

Обнаружено новое фазовое состояние нанолокализованной воды

4.5

Сотрудники лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ совместно с российскими и зарубежными коллегами открыли новое фазовое состояние нанолокализованной воды — воды, отдельные молекулы которой расположены в полостях кристаллической решетки кордиерита. При фундаментальной важности фактически первого надежного экспериментального наблюдения фазового перехода в коллективе молекул воды обнаруженное явление может найти и практическое применение — в области технологий сегнетоэлектриков, искусственных квантовых систем, а также в биосовместимой наноэлектронике.

Молекулы воды в кристалле / ©Дарья Сокол / Пресс-служба МФТИ

Наряду с учеными МФТИ, в работе приняли участие сотрудники Института кристаллографии РАН, Института общей физики РАН, Сколтеха, Института геологии и минералогии СО РАН и Новосибирского государственного университета, а также коллеги из Германии, Чехии и Японии. Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Nature Communications.

«Мы ищем новые фазы упорядочения электродипольных решеток, то есть набора “точечных” электрических диполей, — рассказал один из инициаторов работы, младший научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ Михаил Белянчиков. — Потому что различных фаз вещества с магнитными диполями найдено великое множество, а вот исследования фазовых состояний вещества, обусловленных упорядочением не магнитных, а электрических “точечных” диполей, еще только начинаются.

Кроме того, электродипольные решетки являются одним из типов сегнетоэлектриков, свойства которых могут оказаться крайне полезными при разработке новых приборов микроэлектроники». Однако создание решетки взаимодействующих между собой электрических диполей с целью ее экспериментального исследования — непростая задача.

Чаще всего физики применяют для этого так называемые оптические интерференционные ловушки. Они представляют собой периодическую структуру полей, возникающих в результате интерференции лазерного излучения. В узлы такой решетки помещают ультрахолодные атомы изучаемых веществ.

Но исследователи из лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ нашли другой, более рациональный путь. Они поместили отдельные молекулы воды, обладающие довольно большим дипольным моментом, в так называемую диэлектрическую матрицу. Ее роль исполняет кристаллическая решетка цеолитов, содержащая периодически распределенные поры нанометрового размера.

В результате получается твердотельный образец (кристалл) с находящимися в этих порах практически свободными молекулами воды (так называемой нанолокализованной воды). Его очень удобно исследовать при различных (не только очень низких) температурах, включая комнатные, а также при различных внешних воздействиях (под влиянием электрических полей, давления и другого).

Впрочем, основной результат работы был получен как раз при низкой температуре 3 K (–270°C). Электродипольная решетка, исследованная в данной работе, была создана на основе одного из цеолитов — кристалла кордиерита. При температуре 3 K в трехмерной решетке нанолокализованных молекул воды ученые обнаружили все характерные признаки сегнетоэлектрического фазового перехода типа «порядок — беспорядок».

Кристалл кордиерита / ©depositphotos

«Ранее мы исследовали аналогичную нанолокализованную воду в матрице берилла, кристалла, очень близкого по структуре к кристаллу кордиерита. Нам не удалось обнаружить упорядочения молекулярных диполей в данной системе вплоть до самой низкой достигнутой нами температуры 0,3 К. Причиной тому — высокая симметрия (гексагональная) решетки этого кристалла и квантово-механические явления, определяющие свойства молекул воды при столь низких температурах, — подчеркнул Михаил Белянчиков. — Ключевую же роль в возникновении фазового перехода в кристалле кордиерита сыграла его несколько менее высокая (орторомбическая) симметрия».

Для анализа и интерпретации экспериментальных результатов ученые взялись за компьютерное моделирование. Последнее заключалось в применении метода Монте-Карло и других математических инструментов для численного решения очень сложного многочастичного уравнения Шредингера, описывающего электродипольную систему нанолокализованных молекул воды.

Компьютерная модель дала возможность понять, как выглядит упорядоченная фаза на микроскопических, точнее, на наноразмерных масштабах. И вновь ученых ждал сюрприз: оказалось, эта фаза крайне необычна. Она представляет собой сосуществование сразу двух видов упорядочений дипольных моментов молекул воды — сегнетоэлектрического и антисегнетоэлектрического.

Это можно представить себе как стопку чередующихся листов сонаправленных диполей, где диполи в каждой паре соседних листов имеют разнонаправленную ориентацию (см. рисунок). Расчеты также показали, что картина упорядоченных водяных диполей (стрелки на рисунке) может быть еще более богатой. Это происходит, например, если молекулы воды заполняют не все поры кристалла, а только часть из них. В таком случае диполи-стрелки в плоскостях-листах группируются в отдельные области — домены.

Схематическое представление упорядоченного состояния электродипольной решетки полярных (дипольные моменты обозначены стрелками) молекул воды в кристалле кордиерита. Упорядоченное состояние представляет собой сосуществование сегнетоэлектрического (красные ab-плоскости) и антисегнетоэлектрического (синяя bc-плоскость) порядков. Сегнетоэлектрические листы чередуются антисегнетоэлектрическим образом вдоль оси с кристалла. Рисунок предоставлен авторами статьи / ©Пресс-служба МФТИ

«Наряду с важностью в фундаментальном отношении, исследование свойств нанолоколизованных молекул воды способствует пониманию явлений в окружающей нас среде и даже, возможно, поможет в конструировании приборов и устройств биосовместимой наноэлектроники. Эта бурно развивающаяся область обещает создание чрезвычайно эффективных электронных устройств на основе биологических материалов», — считает руководитель работы, заведующий лабораторией терагерцовой спектроскопии МФТИ Борис Горшунов.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Позавчера, 11:44
Илья Ведмеденко

Видео демонстрирует концепцию, известную как Rapid Dragon. Крылатые ракеты сбросили из самолетов C-17 и EC-130: предполагается, что это позволит повысить ударную мощь США.

Вчера, 12:05
Илья Ведмеденко

Короткий ролик показывает модель летательного аппарата неизвестного типа. Некоторые обозреватели полагают, что она имеет отношение к программе NGAD, направленной на разработку истребителя шестого поколения. Ранее стало известно о начале испытаний его демонстратора.

Вчера, 17:26
Мария Азарова

Оманские спелеологи, наконец, спустились на дно загадочного «Адского колодца» на востоке Йемена — бархута, которого избегают многие местные жители, так как уверены, что там живут джинны.

Позавчера, 11:44
Илья Ведмеденко

Видео демонстрирует концепцию, известную как Rapid Dragon. Крылатые ракеты сбросили из самолетов C-17 и EC-130: предполагается, что это позволит повысить ударную мощь США.

Вчера, 12:05
Илья Ведмеденко

Короткий ролик показывает модель летательного аппарата неизвестного типа. Некоторые обозреватели полагают, что она имеет отношение к программе NGAD, направленной на разработку истребителя шестого поколения. Ранее стало известно о начале испытаний его демонстратора.

21 сентября
Василий Парфенов

Следует признать: амбициозные планы Илона Маска по освоению Марса столкнулись с суровой реальностью американской бюрократии раньше, чем предполагалось. Не успела его компания SpaceX начать тестирование системы из ускорителя Super Heavy и космического корабля Starship, как регуляторные органы высказали свое «фи». Первый орбитальный запуск исполинской ракеты никак не получит соответствующих разрешений, но наконец-то появилась надежда на положительный исход экологической оценки. Правда, космодром в Бока-Чика должен принять кое-какие расширенные меры по защите окружающей среды.

3 сентября
Алиса Гаджиева

Два бронзовых тарана и свинцовые пули обнаружили на месте битвы при Эгатских островах, состоявшейся почти 23 века назад.

11 сентября
Алиса Гаджиева

Необычное погребение обнаружили во время работ по устройству пруда в гольф-клубе.

15 сентября
Ольга Иванова

Американские исследователи выяснили, что в женских тампонах содержатся летучие органические соединения, которые влияют на присутствие этих веществ в моче. Интересно, что в прокладках их содержание значительно ниже.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: