Onderzoekers van het MIPT-laboratorium voor Terahertz-spectroscopie hebben samen met hun Russische en internationale collega's een nieuwe fase van nano-opgesloten water ontdekt; afzonderlijke watermoleculen die zijn opgesloten in nanoholtes gevormd door ionen van cordieriet kristalrooster. De eerste betrouwbare experimentele waarneming van een faseovergang in een netwerk van dipool-dipool gekoppelde watermoleculen is, op zich, een belangrijke fundamentele doorbraak. Maar afgezien daarvan, het ontdekte fenomeen kan ook praktische toepassingen vinden in ferro-elektriciteit, kunstmatige kwantumsystemen, en biocompatibele nano-elektronica.

De studie was een gezamenlijke inspanning van MIPT-wetenschappers en onderzoekers van het Shubnikov Institute of Crystallography, A. M. Prokhorov Algemeen Natuurkundig Instituut van RAS, Skoltech, Sobolev Instituut voor Geologie en Mineralogie, en de Staatsuniversiteit van Novosibirsk, evenals hun collega's uit Duitsland (Stuttgart University), de Tsjechische Republiek (Praag Instituut voor Natuurkunde), en Japan (Universiteit van Tokio). De resultaten van het onderzoek zijn gerapporteerd in Natuurcommunicatie .

"We zijn op zoek naar nieuwe fasen van elektrisch dipoolrooster, l. e. een ensemble van op elkaar inwerkende elektrische puntdipolen, " legde Michail Belyanchikov uit, een van de initiatiefnemers van de studie en een junior onderzoeker bij MIPT Laboratory of Terahertz Spectroscopie. "Er is een groot aantal verschillende magnetische dipoolfasen ontdekt, maar het onderzoek naar materiële fasen die niet gerelateerd zijn aan magnetische, maar eerder aan puntige elektrische dipolen, bevindt zich nog in de beginfase. Bovendien, elektrische dipoolroosters zijn een soort ferro-elektriciteit die veelbelovende micro-elektronische toepassingen kan hebben."

Het is bekend dat het experimenteel realiseren van een rooster van punt-elektrische dipolen een uitdagende taak is. Gewoonlijk gebruiken natuurkundigen het zogenaamde interferometrische optische rooster - een periodieke structuur van velden die wordt gecreëerd als gevolg van interferentie van laserstralen. Ultrakoude atomen van te bestuderen materialen worden in de roosterpunten geplaatst.

Maar onderzoekers van het MIPT-laboratorium voor Terahertz-spectroscopie hebben een efficiëntere manier gevonden. Ze plaatsen afzonderlijke watermoleculen die een vrij hoog elektrisch dipoolmoment hebben in een zogenaamde diëlektrische matrix, in dit geval, een zeolietkristalrooster met periodiek verdeelde holten op nanoschaal gevormd door roosterionen. Men krijgt dan een gemakkelijk hanteerbaar monster (een kristal) met praktisch vrije watermoleculen die (tijdens kristalgroei) in deze holtes zijn opgesloten - het zogenaamde nanobesloten water. Dit monster kan worden bestudeerd in een breed temperatuurbereik, inclusief kamertemperatuur en in verschillende omgevingen (elektrische velden, druk, enzovoort.).

Het belangrijkste resultaat van het onderzoek werd echter bereikt bij een vrij lage temperatuur van 3 K (-270 °C). Het bestudeerde elektrische dipoolrooster van polaire watermoleculen was gebaseerd op een cordierietkristal - een lid van de zeolietenfamilie. De onderzoekers observeerden een orde-wanorde ferro-elektrische faseovergang in een driedimensionaal nano-ingesloten moleculair waternetwerk bij een temperatuur van 3 K.

"Eerder, we hadden vergelijkbare nano-opgesloten watermoleculen bestudeerd die zich in een matrix van beryl bevinden, een kristal met een structuur die erg lijkt op die van cordieriet. We hebben de volgorde van moleculaire dipolen in dit systeem niet geregistreerd, zelfs niet bij 0,3 K, de laagste temperatuur die we konden bereiken. De reden kan zijn de relatief hoge symmetrie (hexagonaal) van het beryl-kristalrooster en de kwantummechanische verschijnselen die de eigenschappen van water bepalen bij zulke lage temperaturen, " merkte Michail Belyanchikov op. "Tegelijkertijd, het is de iets lagere (orthorhombische) kristallijne symmetrie van cordieriet die de faseovergang veroorzaakte in een reeks watermoleculen die worden gehost door het kristalrooster."

Om experimentele bevindingen te analyseren en interpreteren, onderzoekers gebruikten computermodellering. Monte Carlo-simulatie en andere wiskundige methoden werden gebruikt voor de numerieke oplossing van de extreem complexe Schrödinger-vergelijking met meerdere deeltjes die het elektrische dipoolsysteem van interagerende polaire watermoleculen beschrijft.

Computermodellering hielp bij het visualiseren van de geordende fase op microscopische - of liever nanoscopische - schaal. En nog eens, de wetenschappers waren verrast omdat deze fase nogal ongebruikelijk bleek te zijn. Het manifesteert zich als co-existentie van ferro-elektrische en antiferro-elektrische ordeningen van waterdipoolmomenten. Het kan worden gevisualiseerd als een stapel afwisselende vellen van co-uitgelijnde dipolen waarbij dipolen in elke twee aangrenzende vellen antiparallel zijn georiënteerd (zie de afbeelding). De simulaties toonden ook aan dat de structuur van geordende waterdipolen (pijlen in de figuur) nog complexer kan zijn. Dit gebeurt wanneer watermoleculen slechts enkele holtes van het kristal vullen. In dat geval, dipoolpijlen in de bladengroep in afzonderlijke domeinen.

"Niet alleen is het bestuderen van nano-opgesloten watermoleculen van fundamenteel belang voor het gebied van elektro-dipolaire roosters, maar het draagt ​​ook bij aan een dieper begrip van natuurlijke fenomenen en kan mogelijk zelfs de constructie van biocompatibele nano-elektronische apparaten mogelijk maken. Dit is een zich snel ontwikkelend veld dat nieuwe beloften en uiterst efficiënte elektronica op basis van biologische materialen, " zegt Boris Gorshunov, die aan het hoofd staat van het MIPT-laboratorium voor Terahertz-spectroscopie.