Физики упорядочили электродипольную решетку молекул воды

Схематическое изображение электродипольной решетки молекул воды в упорядоченном состоянии.

M. A. Belyanchikov et al. / Nature, 2020

Физики экспериментально обнаружили переход группы молекул воды, размещенных в полостях кристаллической решетки кордиерита, в состояние, при котором электрические диполи этих молекул образуют упорядоченную структуру. Результат важен как с фундаментальной точки зрения — надежное экспериментальное наблюдение таких фазовых переходов в лаборатории ранее представляло трудности, так и с практической — упорядоченные электродипольные решетки молекул воды могут найти применение в области наноэлектроники (в том числе биосовместимой), а также помочь ученым в создании искусственных квантовых систем. Статья опубликована в журнале Nature.

Когда возникает необходимость описывать электромагнитное поле сложных систем (как, например, молекулы) на расстояниях, которые значительно превышают размеры самой системы, физики пользуются дипольным приближением. В таком приближении роль реального объекта выполняет простая идеализированная система — диполь, причем поле (магнитное или электрическое) диполя с требуемой точностью соответствует настоящему и описывается векторной физической величиной — дипольным моментом.

Таким образом, для исследования электромагнитных свойств вещества бывает удобно рассматривать его как группу молекул, каждая из которых обладает неким дипольным моментом. При создании особых условий — например, приложении внешнего поля или охлаждении, диполи могут выстраиваться в упорядоченные структуры, а само вещество при этом — проявлять недоступные в стандартном состоянии свойства, которые удобно использовать на практике. На сегодняшний день упорядоченные состояния в большом количестве известны для систем магнитных диполей, в то время как экспериментальные исследования электрических — менее обширны и по-прежнему остаются сложной задачей.

Ученые из Германии, России, Чехии и Японии под руководством Михаила Белянчикова (M. A. Belyanchikov) из Московского физико-технического института экспериментально обнаружили и исследовали одно из упорядоченных состояний у электродипольной решетки воды — системы из регулярно расположенных в пространстве молекул H2O. Благодаря распространенности этой жидкости в окружающей среде, поиск таких конфигураций представляет интерес, в том числе, с позиции изучения природных систем и развития биосовместимых технологий. Тем не менее в условиях лаборатории группы молекул H2O в виде стандартной жидкости или льда не удается перевести в требуемое состояние — этому препятствуют водородные связи — электростатические взаимодействия между молекулами, которые не дают дипольным моментам выстраиваться в нужную конфигурацию.

Чтобы преодолеть влияние водородных связей, физики разместили молекулы воды в наноразмерных (миллионные доли миллиметра) порах природного кристалла кордиерита — в результате расстояние между молекулами составило 5–10 ангстрем (один ангстрем составляет десятимиллионную часть миллиметра и приблизительно соответствует расстоянию между кислородом и водородом в молекуле воды), в то время как водородные связи проявляются на масштабе 1–2 ангстрем. При этом сохранилось дальнее взаимодействие между электрическими дипольными моментами, которое характерно для расстояний в 10–100 ангстрем — молекулы воды образовали трехмерную электродипольную решетку.



Кристаллическая структура кордиерита (слева) и расположение в полостях этой структуры молекул воды (в центре и справа)

M. A. Belyanchikov et al. / Nature, 2020

Готовый образец авторы охлаждали (вплоть до температуры в 0,3 кельвин), а также подвергали воздействию внешнего электрического поля с частотами в диапазоне от герц до мегагерц и в области терагерц, измеряя при этом диэлектрическую проницаемость, теплоемкость, поляризацию образца и возникающий пироэлектрический ток. Те же измерения ученые проводили для кристалла без участия молекул воды — таким образом исследователям удалось извлечь из данных эксперимента информацию о том, как на изменения температуры и внешнего поля реагирует отдельно взятая электродипольная решетка.

Для интерпретации результатов опыта физики использовали также компьютерные симуляции, моделируя взаимодействие системы диполей в диапазоне температур 0,001–300 кельвин и наблюдая за образующейся наноразмерной структурой.

В результате авторам удалось надежно обнаружить сегнетоэлектрический фазовый переход типа «порядок — беспорядок» в электродипольной решетке вблизи 3 кельвин — около этой температуры диэлектрические и термодинамические характеристики группы молекул воды, которые физики измеряли в эксперименте, претерпевали характерные для такого перехода изменения.



Схематическое изображение упорядоченного состояния электродипольной решетки. Стрелками обозначены дипольные моменты отдельных молекул, красные плоскости отвечают сегнетоэлектрическому порядку, синяя — антисегнетоэлектрическому

M. A. Belyanchikov et al. / Nature, 2020

Компьютерные симуляции также продемонстрировали открытый в ходе опыта фазовый переход, а также позволили исследователям установить взаимную ориентацию дипольных моментов в решетке. Оказалось, что полученная структура сочетает в себе два различных вида упорядоченности (проявляющихся в разных плоскостях кристалла) : сегнетоэлектрический, при котором дипольные моменты сонаправлены, и антисегнетоэлектрический, при котором направления дипольных моментов в соседних цепочках противоположны.

По словам ученых, наряду с фундаментальной значимостью исследование имеет потенциал и для практического применения — воспроизведение упорядоченных состояний молекул воды в условиях лаборатории, вероятно, позволит достичь лучшего понимания явлений окружающей среды и поможет в создании устройств биосовместимой наноэлектроники.

Различные фазовые переходы часто становятся предметом исследования разных областей физики. Так, в прошлом году ученые предсказали преобразование формы звездных скоплений вокруг черной дыры, а в позапрошлом — впервые увидели переход азота в жидкое металлическое состояние.

Николай Мартыненко

Источник: labuda.blog

уникальные шаблоны и модули для dle