Forskare vid MIPT Laboratory of Terahertz Spectroscopy upptäckte tillsammans med sina ryska och internationella kollegor en ny fas av nanobegränsat vatten; separata vattenmolekyler som är inneslutna i nanokaviteter bildade av joner av kordieritkristallgitter. Den första tillförlitliga experimentella observationen av en fasövergång i ett nätverk av dipol-dipol-kopplade vattenmolekyler är, i och med sig själv, ett viktigt grundläggande genombrott. Men bortsett från det, det upptäckta fenomenet kan också hitta praktiska tillämpningar inom ferroelektrik, konstgjorda kvantsystem, och biokompatibel nanoelektronik.

Studien var en gemensam ansträngning av MIPT-forskare och forskare från Shubnikov Institute of Crystallography, A. M. Prokhorov General Physics Institute of RAS, Skoltech, Sobolev Institutet för geologi och mineralogi, och Novosibirsk State University, såväl som deras kollegor från Tyskland (Stuttgart University), Tjeckien (Prag Institute of Physics), och Japan (University of Tokyo). Resultaten av studien har rapporterats i Naturkommunikation .

"Vi letar efter nya faser av elektriska dipolgitter, i. e. en ensemble av interagerande punkt elektriska dipoler, " förklarade Mikhail Belyanchikov, en av studiens initiativtagare och en juniorforskare vid MIPT Laboratory of Terahertz Spectroscopy. "Ett stort antal olika magnetiska dipolfaser har upptäckts men forskningen om materialfaser som inte är relaterade till magnetiska utan snarare till punktelektriska dipoler är fortfarande i ett tidigt skede. Dessutom, elektriska dipolgitter är en typ av ferroelektrik som kan ha lovande mikroelektroniska tillämpningar."

Det är känt att det är en utmanande uppgift att experimentellt realisera ett gitter av punktelektriska dipoler. Vanligtvis använder fysiker det så kallade interferometriska optiska gittret - en periodisk struktur av fält som skapas som ett resultat av laserstrålars interferens. Ultrakalla atomer av material som ska studeras placeras i gitterpunkterna.

Men forskare vid MIPT Laboratory of Terahertz Spectroscopy hittade ett mer effektivt sätt. De placerar separata vattenmolekyler som har ett ganska högt elektriskt dipolmoment i en så kallad dielektrisk matris, I detta fall, ett zeolitkristallgitter med periodiskt fördelade tomrum i nanoskala som bildas av gitterjoner. Man får då ett lätthanterligt prov (en kristall) med praktiskt taget fria vattenmolekyler fångade (under kristalltillväxt) i dessa tomrum - det så kallade nanoconfined vattnet. Detta prov kan studeras i ett brett temperaturområde inklusive rumstemperatur och i olika miljöer (elektriska fält, tryck, etc.).

Huvudresultatet av studien uppnåddes dock vid en ganska låg temperatur på 3 K (–270 °C). Det studerade elektriska dipolgittret för polära vattenmolekyler var baserat på en kordieritkristall - en medlem av zeolitfamiljen. Forskarna observerade en ferroelektrisk fasövergång av ordningsstörning i ett tredimensionellt nanobegränsat vattenmolekylärt nätverk vid temperaturen 3 K.

"Tidigare, vi hade studerat liknande nanobegränsade vattenmolekyler som finns i en matris av beryl, en kristall som har strukturen mycket lik den hos cordierit. Vi registrerade inte ordning av molekylära dipoler i detta system ens vid 0,3 K, den lägsta temperaturen vi kunde uppnå. Anledningen kan vara den relativt höga symmetrin (hexagonala) av beryllkristallgittret och de kvantmekaniska fenomen som styr egenskaperna hos vatten vid så låga temperaturer, " noterade Mikhail Belyanchikov. "Samtidigt, det är cordierits något lägre (ortorombiska) kristallina symmetri som utlöste fasövergången i en rad vattenmolekyler som värd för dess kristallgitter."

För att analysera och tolka experimentella resultat, forskare använde datormodellering. Monte Carlo-simulering och andra matematiska metoder användes för numerisk lösning av den extremt komplexa multipartikel Schrödinger-ekvationen som beskriver det elektriska dipolsystemet för interagerande polära vattenmolekyler.

Datormodellering hjälpte till att visualisera den ordnade fasen i mikroskopisk - eller snarare nanoskopisk - skala. Och ännu en gång, forskarna blev överraskade eftersom denna fas visade sig vara ganska ovanlig. Det manifesteras som samexistens av ferroelektriska och antiferroelektriska ordningar av vattendipolmoment. Det kan visualiseras som en stapel av alternerande ark av samjusterade dipoler där dipolerna i varannan intilliggande ark är orienterade antiparallellt (se fig.). Simuleringarna visade också att strukturen av ordnade vattendipoler (pilar i figuren) kan vara ännu mer komplex. Detta händer när vattenmolekyler bara fyller några av kristallens håligheter. Isåfall, dipolpilar i arkgruppen i separata domäner.

"Att studera nanobegränsade vattenmolekyler har inte bara en grundläggande betydelse för området elektro-dipolära gitter utan det bidrar också till en djupare förståelse av naturfenomen och kan till och med potentiellt möjliggöra konstruktion av biokompatibla nanoelektroniska enheter. Detta är ett snabbt växande område som lovar nya och extremt effektiv elektronik baserad på biologiska material, " kommenterar Boris Gorshunov, som leder MIPT Laboratory of Terahertz Spectroscopy.