06.08.2020
ФизТех
3 416

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.
Вчера, 17:39
Илья Ведмеденко

(16) Психея – одно из самых необычных небесных тел в Поясе астероидов. Она может дать людям не только понимание о происхождении планет, но и невероятные по своим объемам ресурсы. Правда, придется подождать: миссия по исследованию астероида находится лишь в самом начале долгого и сложного пути.

Вчера, 09:18
Мария Азарова

Множество людей по всему миру привились вакциной CoronaVac китайского производства. По данным ученых из США и Доминиканской Республики, судя по всему, этот препарат практически не защищает от распространяющегося в последние месяцы омикрон-штамма с несколькими десятками мутаций в S-белке.

21 января
Илья Ведмеденко

Заслуженные штурмовики A-10 и Су-25, которым дали прозвища «Бородавочник » и «Грач» соответственно, много десятилетий стоят на службе в Соединенных Штатах и России. Страны избрали разные подходы к модернизации этих самолетов, и сегодня Naked Science постарается понять, какой из них больше соответствует требованиям XXI века.

21 января
Илья Ведмеденко

В конце 2021 года российским ВКС передали два новых Су-57. О поставке первого серийного истребителя пятого поколения сообщили в 2020-м.

Вчера, 17:39
Илья Ведмеденко

(16) Психея – одно из самых необычных небесных тел в Поясе астероидов. Она может дать людям не только понимание о происхождении планет, но и невероятные по своим объемам ресурсы. Правда, придется подождать: миссия по исследованию астероида находится лишь в самом начале долгого и сложного пути.

Вчера, 09:18
Мария Азарова

Множество людей по всему миру привились вакциной CoronaVac китайского производства. По данным ученых из США и Доминиканской Республики, судя по всему, этот препарат практически не защищает от распространяющегося в последние месяцы омикрон-штамма с несколькими десятками мутаций в S-белке.

26.12.2021
Александр Березин

Российская тяжелая ракета имеет все шансы взлететь после Starship, хотя ее начали создавать на 20 лет раньше, да и по параметрам она радикально уступает детищу Илона Маска. Попробуем разобраться, почему любая попытка создать классическую ракету в наши дни — пустая трата времени и средств. А заодно дать ответ на вопрос, какую космическую ракету на самом деле стоит создавать России.

12 января
Алиса Гаджиева

Дополнительное исследование вулканических пород формации Кибиш в Эфиопии изменило датировку найденных там костей Homo sapiens.

20 января
ТГУ

Ученые факультета физической культуры Томского государственного университета в рамках гранта, поддержанного РНФ, исследуют особенности механизма усвоения глюкозы при сахарном диабете второго типа. Для этого был организован масштабный четырехмесячный эксперимент на 240 мышах, подобного которому в мире еще никто не проводил. Животные с искусственно сформированным диабетом подвергались физической нагрузке. Установлено, что вечерние тренировки лучше снижали вес мышей мышей, а утренние – приводили к уменьшению уровня глюкозы. Предположительно, фактором, стимулирующим утилизацию глюкозы, выступил стресс. Ученые намерены проверить эту гипотезу.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

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

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
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
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: