​​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.

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 

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 

 

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.

 

Источники

Обнаружено новое фазовое состояние нанолокализованной воды
Seldon.News (news.myseldon.com), 06/08/2020
Обнаружено новое фазовое состояние нанолокализованной воды - Naked Science
Naked Science (naked-science.ru), 06/08/2020
Обнаружено новое фазовое состояние нанолокализованной воды
Поиск (poisknews.ru), 06/08/2020
Обнаружено новое фазовое состояние нанолокализованной воды
За науку (zanauku.mipt.ru), 06/08/2020
Обнаружено новое фазовое состояние нанолокализованной воды
Nanonewsnet.ru, 09/08/2020
Обнаружено новое фазовое состояние нанолокализованной воды
Индикатор (indicator.ru), 09/08/2020
Обнаружено новое фазовое состояние нанолокализованной воды
Рамблер/новости (news.rambler.ru), 09/08/2020
Обнаружено новое фазовое состояние нанолокализованной воды
News-Life (news-life.pro), 10/08/2020
Обнаружено новое фазовое состояние нанолокализованной воды
XX2 век (22century.ru), 10/08/2020
Обнаружено новое фазовое состояние нанолокализованной воды
Новости Дубны (produbna.ru), 22/08/2020
Обнаружено новое фазовое состояние нанолокализованной воды
Первый Дмитровский (1dmitrov.ru), 22/08/2020
Обнаружено новое фазовое состояние нанолокализованной воды
Новости Талдома (taldom-vesti.ru), 22/08/2020
Обнаружено новое фазовое состояние нанолокализованной воды
Открытая Дубна (open-dubna.ru), 22/08/2020
Обнаружено новое фазовое состояние нанолокализованной воды
Изобретатель (/izobretatel.by), 17/09/2020

Похожие новости

  • 04/06/2020

    Эксперимент геологов и физиков внес вклад в понимание природы железных метеоритов

    Научная группа Института физики высоких давлений им. Л. Ф. Верещагина РАН (ИФВД РАН), Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН (ИГМ СО РАН), Новосибирского государственного университета (НГУ) совместно со специалистами Института ядерной физики им.
    472
  • 03/01/2019

    Обнаружены особенности образования соединений, мешающих добыче нефти и газа

    ​​Ученые из Института неорганической химии имени А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук (ИНХ СО РАН) исследовали реакцию образования кристаллических соединений воды и газа (газовых гидратов) с метастабильной (неустойчивой) структурой.
    1685
  • 16/07/2020

    Сибирские ученые получили топологические изоляторы на основе селенида висмута новыми способами

    ​​​​​Тонкие пленки селенида висмута получили двумя методами: вырастив их на подложках из слюды и электрохимически расщепив объемные кристаллы Bi2Se3, причем ученые добились формирования рекордно больших площадей образцов тонких пленок.
    919
  • 25/09/2020

    Ученые разработали биоразлагаемый материал для костных имплантов

    Ученые НИЦ "Курчатовский институт" в составе исследовательской группы создали материал, обладающий оптимальными свойствами для изготовления костных имплантов. От аналогов его отличают уникальные механические характеристики и безопасность для организма.
    256
  • 17/07/2020

    СО РАН направляет в Арктику большую норильскую экспедицию

    ​​Группа ученых из Российской академии наук всесторонне изучит экологическую среду территории и представит предложения и рекомендации по наилучшим природосберегающим решениям для деятельности промышленных компаний в Арктическом регионе.
    1188
  • 06/08/2020

    Николай Юркевич: экспедиция — хороший задел для проведения мониторинговых работ в будущем

    ​В июле сибирские ученые получили приглашение от компании «Норильский никель» принять участие в работах на полуострове Таймыр. Задачи, стоящие перед экспедицией — оценка текущего экологического состояния этого района и разработка концепции хозяйствования на арктических территориях.
    447
  • 23/09/2020

    TAIGA признана выдающейся российско-немецкой коллаборацией

    Ученые России и Германии получили престижную награду на заключительной церемонии Года российско-немецкого сотрудничества в области науки и образования. Ученые Института ядерных исследований РАН работают над сооружением обсерватории TAIGA (Tunka Advanced Instrument for Cosmic Ray and Gamma Astronomy) в Сибири, в Тункинской долине, в коллаборации с коллегами из других российских и немецких институтов.
    288
  • 26/02/2020

    Ученые ищут микрочастицы Тунгусского метеорита в озерах

    Все предположения о природе Тунгусского метеорита или Тунгусского космического тела (ТКТ), взорвавшегося и упавшего в Восточной Сибири в 1908 г. до сих пор остаются только гипотезами. Ученые Института ядерной физики им.
    677
  • 24/12/2019

    Выбор РИА Новости: главные достижения российской науки 2019 года

    ​Ученые в России в нынешнем году получили знаковые результаты в самых разных областях – от астрономии до археологии, причем многие достижения имеют выходы на практическое применение. Примечательно, что существенную лепту здесь внесли не только признанные научные центры, но и ведущие отечественные вузы.
    1167
  • 15/09/2020

    «Дети» звезд: проект по изучению экзопланет

    Исследования планет за пределами Солнечной системы – относительно новая область науки, которая появилась совсем недавно. Первую экзопланету открыли 28 лет назад. Сегодня, благодаря специализированным космическим телескопам и наземным наблюдениям, обнаружено и подтверждено существование более 4 000 планет, и это число увеличивается с каждым днем.
    269