Молекулы воды в кристалле в представлении художника. Дарья Сокол, пресс-лужба МФТИ.
Сотрудники лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ вместе с русскими и забугорными сотрудниками открыли новое фазовое состояние нанолокализованной воды — воды, отдельные молекулы которой размещены в полостях кристаллической решётки кордиерита. При базовой значимости практически первого надёжного экспериментального наблюдения фазового перехода в коллективе молекул воды обнаруженное явление может отыскать и практическое применение — в области технологий сегнетоэлектриков, искусственных квантовых систем, а также в биосовместимой наноэлектронике.
Вместе с учёными МФТИ, в работе приняли роль сотрудники Института кристаллографии РАН (Российская академия наук — государственная академия наук, высшая научная организация Российской Федерации, ведущий центр фундаментальных исследований в области естественных и общественных наук), Института общей физики РАН (Российская академия наук — государственная академия наук, высшая научная организация Российской Федерации, ведущий центр фундаментальных исследований в области естественных и общественных наук), Сколтеха, Института геологии и минералогии СО РАН (Российская академия наук — государственная академия наук, высшая научная организация Российской Федерации, ведущий центр фундаментальных исследований в области естественных и общественных наук) и Новосибирского муниципального института, а также коллеги из Германии, Чехии и Стране восходящего солнца. Результаты исследования размещены в Nature Communications.
«Мы отыскиваем новейшие фазы упорядочения электродипольных решёток, т. е. набора «точечных» электронных диполей, — сказал один из инициаторов работы, младший научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ Миша Белянчиков. — Поэтому что разных фаз вещества с магнитными диполями найдено величавое огромное количество, а вот исследования фазовых состояний вещества, обусловленных упорядочением не магнитных, а электронных «точечных» диполей, ещё лишь начинаются. Не считая того, электродипольные решётки являются одним из типов сегнетоэлектриков, характеристики которых могут оказаться очень полезными при разработке новейших устройств микроэлектроники».
Но создание решётки взаимодействующих меж собой электронных диполей с целью её экспериментального исследования — сложная задачка. Почаще всего физики используют для этого так именуемые оптические интерференционные ловушки. Они представляют собой повторяющуюся структуру полей, возникающих в итоге интерференции лазерного излучения. В узлы таковой решётки помещают ультрахолодные атомы изучаемых веществ.
Но исследователи из лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ отыскали иной, наиболее оптимальный путь. Они помещают отдельные молекулы воды, владеющие достаточно огромным дипольным моментом, в так именуемую диэлектрическую матрицу. Её роль исполняет кристаллическая сетка цеолитов, содержащая временами распределённые поры нанометрового размера. В итоге выходит твердотельный эталон (кристалл) с находящимися в этих порах фактически вольными молекулами воды (так именуемой нанолокализованной воды). Его весьма комфортно изучить при разных (не только лишь весьма низких) температурах, включая комнатные, а также при разных наружных действиях (под воздействием электронных полей, давления и др.).
Вообщем, главный итог работы был получен как раз при низкой температуре 3 K (−270°C). Электродипольная решётка, исследованная в данной работе, была сотворена на базе 1-го из цеолитов — кристалла кордиерита. При температуре 3 K в трёхмерной сетке нанолокализованных молекул воды учёные нашли все соответствующие признаки сегнетоэлектрического фазового перехода типа «порядок — кавардак».
Кристалл кордиерита.
«Ранее мы изучили аналогичную нанолокализованную воду в матрице берилла, кристалла, весьма близкого по структуре к кристаллу кордиерита. Нам не удалось найти упорядочения молекулярных диполей в данной системе прямо до самой низкой достигнутой нами температуры 0,3 К. Предпосылкой тому — высочайшая симметрия (гексагональная) решётки этого кристалла и квантовомеханические явления, определяющие характеристики молекул воды при настолько низких температурах, — выделил Миша Белянчиков. — Главную же роль в появлении фазового перехода в кристалле кордиерита сыграла его несколько наименее высочайшая (орторомбическая) симметрия».
Для анализа и интерпретации экспериментальных результатов учёные взялись за компьютерное моделирование. Компьютерная модель отдала возможность осознать, как смотрится упорядоченная фаза на микроскопичных, поточнее, на наноразмерных масштабах. И вновь учёных ожидал сюрприз: оказалось, эта фаза очень необыкновенна. Она представляет собой сосуществование сходу 2-ух видов упорядочений дипольных моментов молекул воды — сегнетоэлектрического и антисегнетоэлектрического. Это можно представить как стопку чередующихся листов сонаправленных диполей, где диполи в каждой паре примыкающих листов имеют разнонаправленную ориентацию (см. набросок ниже). Расчёты также проявили, что картина упорядоченных водяных диполей (стрелки на рисунке) быть может ещё наиболее богатой. Это происходит, к примеру, если молекулы воды заполняют не все поры кристалла, а лишь часть из их. В таком случае диполи-стрелки в плоскостях-листах группируются в отдельные области — домены.
«Вместе с значимостью в базовом отношении, исследование параметров нанолоколизованных молекул воды содействует осознанию явлений в окружающей нас среде и даже, может быть, поможет в конструировании устройств и устройств биосовместимой наноэлектроники. Эта бурно развивающаяся область обещает создание очень действенных электрических устройств на базе био материалов», — считает управляющий работы, заведующий лабораторией терагерцовой спектроскопии МФТИ Борис Горшунов.
Схематическое представление упорядоченного состояния электродипольной решётки полярных (дипольные моменты обозначены стрелками) молекул воды в кристалле кордиерита. Упорядоченное состояние представляет собой сосуществование сегнетоэлектрического (красноватые ab-плоскости) и антисегнетоэлектрического (голубая bc-плоскость) порядков . Сегнетоэлектрические листы чередуются антисегнетоэлектрическим образом вдоль оси с кристалла. Предоставлено создателями статьи.