Forskere opdager ny fase af nanobundet vand

Forskere ved MIPT Laboratory of Terahertz Spectroscopy opdagede sammen med deres russiske og internationale kolleger en ny fase af nanobundet vand; separate vandmolekyler, der er indespærret i nanokaviteter dannet af ioner af cordierit krystalgitter. Den første pålidelige eksperimentelle observation af en faseovergang i et netværk af dipol-dipol-koblede vandmolekyler er, i sig selv, et vigtigt grundlæggende gennembrud. Men bortset fra det, det opdagede fænomen kan også finde praktiske anvendelser inden for ferroelektrik, kunstige kvantesystemer, og biokompatibel nanoelektronik.

Undersøgelsen var en fælles indsats af MIPT-forskere og forskere fra Shubnikov Institute of Crystallography, A. M. Prokhorov General Physics Institute of RAS, Skoltech, Sobolev Institut for Geologi og Mineralogi, og Novosibirsk State University, samt deres kolleger fra Tyskland (Stuttgart Universitet), Den Tjekkiske Republik (Prag Institut for Fysik), og Japan (University of Tokyo). Resultaterne af undersøgelsen er blevet rapporteret i Naturkommunikation .

"Vi leder efter nye faser af elektriske dipolgitter, jeg. e. et ensemble af interagerende punkt elektriske dipoler, " forklarede Mikhail Belyanchikov, en af ​​studiets initiativtagere og en juniorforsker ved MIPT Laboratory of Terahertz Spectroscopy. "Et stort antal forskellige magnetiske dipolfaser er blevet opdaget, men forskningen i materialefaser, der ikke er relateret til magnetiske, men snarere til punktelektriske dipoler, er stadig i de tidlige stadier. elektriske dipolgitter er en type ferroelektrik, der kan have lovende mikroelektroniske applikationer."

Det er kendt, at det er en udfordrende opgave at eksperimentelt realisere et gitter af punktelektriske dipoler. Normalt bruger fysikere det såkaldte interferometriske optiske gitter - en periodisk struktur af felter, der er skabt som et resultat af laserstråleinterferens. Ultrakolde atomer af materialer, der skal studeres, placeres i gitterpunkterne.

Men forskere ved MIPT Laboratory of Terahertz Spectroscopy fandt en mere effektiv måde. De placerer separate vandmolekyler, der har et ret højt elektrisk dipolmoment, i en såkaldt dielektrisk matrix, I dette tilfælde, et zeolitkrystalgitter med periodisk fordelte nanoskala hulrum dannet af gitterioner. Man får så en lethåndterlig prøve (en krystal) med praktisk talt frie vandmolekyler fanget (under krystalvækst) i disse hulrum - det såkaldte nano-indesluttede vand. Denne prøve kan studeres i en lang række temperaturer, herunder stuetemperatur og i forskellige miljøer (elektriske felter, tryk, etc.).

Hovedresultatet af undersøgelsen blev imidlertid opnået ved en ret lav temperatur på 3 K (–270 °C). Det undersøgte elektriske dipolgitter af polære vandmolekyler var baseret på en cordieritkrystal - et medlem af zeolitfamilien. Forskerne observerede en ferroelektrisk faseovergang i ordensforstyrrelser i et tredimensionelt nanobundet vandmolekylært netværk ved en temperatur på 3 K.

"Tidligere vi havde studeret lignende nanobundne vandmolekyler placeret i en matrix af beryl, en krystal, der har strukturen meget lig cordierit. Vi registrerede ikke rækkefølgen af ​​molekylære dipoler i dette system selv ved 0,3 K, den laveste temperatur vi var i stand til at opnå. Årsagen kan være den relativt høje symmetri (sekskantet) af berylkrystalgitteret og de kvantemekaniske fænomener, der styrer vandets egenskaber ved så lave temperaturer, " bemærkede Mikhail Belyanchikov. "På samme tid, det er cordierits noget lavere (orthorhombiske) krystallinske symmetri, der udløste faseovergangen i en række vandmolekyler, der er hostet af dets krystalgitter."

At analysere og fortolke eksperimentelle resultater, forskere brugte computermodellering. Monte Carlo-simulering og andre matematiske metoder blev brugt til numerisk løsning af den ekstremt komplekse multipartikel Schrödinger-ligning, der beskriver det elektriske dipolsystem af interagerende polære vandmolekyler.

Computermodellering hjalp med at visualisere den ordnede fase i mikroskopisk - eller rettere nanoskopisk - skala. Og endnu en gang, forskerne blev overrasket, da denne fase viste sig at være ret usædvanlig. Det manifesteres som sameksistens af ferroelektriske og antiferroelektriske bestilling af vanddipolmomenter. Det kan visualiseres som en stabel af alternerende ark af co-aligned dipoler, hvor dipoler i hver to tilstødende ark er orienteret antiparallelt (se fig.). Simuleringerne viste også, at strukturen af ​​ordnede vanddipoler (pile i figuren) kan være endnu mere kompleks. Dette sker, når vandmolekyler kun fylder nogle af krystallens hulrum. I det tilfælde, dipolpile i arkgruppen i separate domæner.

"Ikke alene har undersøgelse af nanobundne vandmolekyler en fundamental betydning for området elektro-dipolære gitter, men det bidrager også til en dybere forståelse af naturfænomener og kan endda potentielt muliggøre konstruktion af biokompatible nanoelektroniske enheder. Dette er et felt i hastig udvikling, der lover nye og ekstremt effektiv elektronik baseret på biologiske materialer, " kommenterer Boris Gorshunov, der leder MIPT Laboratory of Terahertz Spectroscopy.