Кредит: МФТИ
Сотрудники Лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ вместе со своими российскими и зарубежными коллегами открыли новую фазу наноконфузионной воды; отдельные молекулы воды, заключенные в нанополости, образованные ионами кристаллической решетки кордиерита. Первое надежное экспериментальное наблюдение фазового перехода в сети диполь-дипольных связанных молекул воды само по себе является важным фундаментальным прорывом. Но помимо этого обнаруженное явление может найти практическое применение в сегнетоэлектриках, искусственных квантовых системах и биосовместимой наноэлектронике.
Работа выполнена совместно учеными МФТИ и исследователями из Института кристаллографии им. Шубникова, Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Сколтеха, Института геологии и минералогии им. Соболева и Новосибирского государственного университета, а также их коллег из Германии (Штутгартский университет). , Чешская Республика (Пражский институт физики) и Япония (Токийский университет). Результаты исследования опубликованы в Nature Communications.
«Мы ищем новые фазы электродипольной решетки, то есть ансамбль взаимодействующих точечных электрических диполей», – пояснил Михаил Белянчиков, один из инициаторов исследования, младший научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ. «Было обнаружено большое количество различных фаз магнитных диполей, но исследования материальных фаз, связанных не с магнитными, а с точечными электрическими диполями, все еще находятся на начальной стадии. Более того, электрические дипольные решетки представляют собой тип сегнетоэлектриков, которые могут иметь многообещающие применения в микроэлектронике ».
Известно, что экспериментальная реализация решетки точечных электрических диполей является сложной задачей. Обычно физики используют так называемую интерферометрическую оптическую решетку – периодическую структуру полей, которая создается в результате интерференции лазерных лучей. Ультрахолодные атомы исследуемых материалов помещаются в узлы решетки.
Но исследователи Лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ нашли более эффективный способ. Они помещают отдельные молекулы воды, обладающие довольно высоким электрическим дипольным моментом, в так называемую диэлектрическую матрицу, в данном случае кристаллическую решетку цеолита с периодически распределенными пустотами нанометрового размера, образованными ионами решетки. Затем получают легко обрабатываемый образец (кристалл) с практически свободными молекулами воды, захваченными (во время роста кристалла) в этих пустотах – так называемая наноконфузионная вода. Этот образец можно исследовать в широком диапазоне температур, включая комнатную, и в различных средах (электрические поля, давление и т. Д.).
Кристалл кордиерита
Однако ключевой результат исследования был достигнут при довольно низкой температуре 3 K (–270 ° C). В основе исследуемой электродипольной решетки полярных молекул воды лежал кристалл кордиерита – члена семейства цеолитов. Исследователи наблюдали сегнетоэлектрический фазовый переход порядок-беспорядок в трехмерной наноразмерной молекулярной сетке воды при температуре 3 К.
«Ранее мы изучали аналогичные наноразмерные молекулы воды, расположенные в матрице берилла, кристалла, который имеет структуру, очень похожую на структуру кордиерита. Мы не зарегистрировали упорядочение молекулярных диполей в этой системе даже при 0,3 К – самой низкой температуре, которую нам удалось достичь. Причина в относительно высокой симметрии (гексагональной) кристаллической решетки берилла и квантово-механических явлениях, определяющих свойства воды при таких низких температурах », – отметил Михаил Белянчиков. «В то же время, это несколько более низкая (орторомбическая) кристаллическая симметрия кордиерита, которая вызвала фазовый переход в массиве молекул воды, заключенных в его кристаллической решетке».
Для анализа и интерпретации экспериментальных результатов исследователи использовали компьютерное моделирование. Моделирование методом Монте-Карло и другие математические методы, такие как численное решение чрезвычайно сложного многочастичного уравнения Шредингера, использовались для описания электрической дипольной системы взаимодействующих полярных молекул воды.
Рисунок. Схематическое изображение упорядоченного состояния электрической дипольной решетки полярных молекул воды внутри кристалла кордиерита. Дипольные моменты указаны стрелками. Упорядоченное состояние проявляется в сосуществовании сегнетоэлектрического (красные ab-плоскости) и антисегнетоэлектрического (синяя bc-плоскость) порядков. Сегнетоэлектрические плоскости антисегнетоэлектрически чередуются вдоль оси c кристалла. Кредит: Изображение предоставлено исследователями
Компьютерное моделирование помогло визуализировать упорядоченную фазу в микроскопическом – или, скорее, наноскопическом – масштабе. И снова ученые были застигнуты врасплох, так как эта фаза оказалась довольно необычной. Это проявляется в сосуществовании сегнетоэлектрического и антисегнетоэлектрического упорядочения дипольных моментов воды. Его можно визуализировать как стопку чередующихся листов совмещенных диполей, где диполи в каждых двух соседних листах ориентированы антипараллельно (см. Рисунок выше). Моделирование также показало, что структура упорядоченных диполей воды (стрелки на рисунке) может быть еще более сложной. Это происходит, когда молекулы воды заполняют только некоторые полости кристалла. В этом случае дипольные стрелки на листах группируются в отдельные области.
«Изучение наноразмерных молекул воды не только имеет фундаментальное значение для области электродиполярных решеток, но также способствует более глубокому пониманию природных явлений и может даже потенциально сделать возможным создание биосовместимых наноэлектронных устройств. Это быстро развивающаяся область, которая обещает новую и чрезвычайно эффективную электронику на основе биологических материалов », – комментирует Борис Горшунов, возглавляющий лабораторию терагерцовой спектроскопии МФТИ.
Ссылка: «Диэлектрическое упорядочение молекул воды, расположенных в диполярной решетке» М.А. Белянчикова, М. Савинова, З. В. Бедрана, П. Беднякова, П. Прощека, Я. Проклеска, В. А. Абалмасова, Ю. Петцельта, Е. С. Жукова, В. Г. Томаса, А. Дудка, А. Жугаевич, А. С. Прохоров, В. Б. Анзин, Р. К. Кремер, Дж. К. Х. Фишер, П. Лункенхаймер, А. Лойдл, Э. Уйкур, М. Дрессель и Б. Горшунов, 6 августа 2020 г., Nature Communications.
DOI: 10.1038 / s41467-020-17832-у
