Обнаружено новое фазовое состояние нанолокализованной воды — Naked Science
11 минут
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.
ФизТех
213 статей
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.
Вчера, 08:57
7 минут
СФУ

Ученые Сибирского федерального университета в составе международной группы изучили двумерные полимеры на основе тетраоксо[8]циркулена и атомов s-металлов таблицы Менделеева с помощью квантово-химического моделирования. Выяснилось, что модификация поверхности полимера тетраоксо[8]циркулена атомами кальция приводит к появлению сверхпроводимости при температуре ниже 14,5 К и возможной реализации двухуровневой системы на атомах кальция, перспективной для построения квантовых битов и последующей реализации в квантовых компьютерах.

6 часов назад
2 минуты
Илья Ведмеденко

Новый российский истребитель пятого поколения испытали стрельбой из пушки. Ранее Воздушно-космические силы получили первый серийный самолет.

9 часов назад
4 минуты
Сергей Васильев

На очередных испытаниях прототип Starship впервые совершил успешную посадку, после чего сразу взорвался. Эксперты связывают аварию с отказавшим клапаном одного из топливных баков.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

26 февраля
8 минут
Мария Азарова

Математическое моделирование позволило подсчитать, что большинство случаев тяжелого течения коронавирусного заболевания и госпитализаций по этой причине в США оказались связаны с одним из четырех кардиометаболических нарушений, а главным образом — с ожирением.

Позавчера, 10:00
42 минуты
Редакция

Все знают, что нефть — это углеводороды. Но из чего она образовалась? Правда ли, что из динозавров? И сколько миллионов лет нефти, из которой сегодня делают бензин и сотни других важных окружающих нас вещей? Разбираемся, какие запасы нефти залегают в России и сколько их осталось, почему их до сих пор не добыли, а также, как это связано с существами, которые жили миллионы лет назад.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

15 февраля
9 минут
Василий Парфенов

Новость, которую странно публиковать на серьезном научно-популярном портале, но от реальности не убежишь. Уфологи всего мира могут радоваться: американские военные официально признали, что изучали места крушения НЛО и в их распоряжении есть некие аномальные объекты, свойства которых выходят за рамки известных науке материалов.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: