p Pesquisadores do Laboratório MIPT de Espectroscopia Terahertz, juntamente com seus colegas russos e internacionais, descobriram uma nova fase da água nanoconfinada; moléculas de água separadas que estão confinadas em nanocavidades formadas por íons da estrutura cristalina de cordierita. A primeira observação experimental confiável de uma transição de fase em uma rede de moléculas de água acopladas dipolo-dipolo é, em si, um avanço fundamental importante. Mas fora isso, o fenômeno descoberto também pode encontrar aplicações práticas em ferroelétricas, sistemas quânticos artificiais, e nanoeletrônica biocompatível. p O estudo foi um esforço conjunto de cientistas do MIPT e pesquisadores do Instituto de Cristalografia Shubnikov, A. M. Prokhorov Instituto de Física Geral de RAS, Skoltech, Instituto Sobolev de Geologia e Mineralogia, e a Novosibirsk State University, bem como seus colegas da Alemanha (Universidade de Stuttgart), a República Tcheca (Instituto de Física de Praga), e Japão (Universidade de Tóquio). Os resultados do estudo foram relatados em Nature Communications .

p "Estamos em busca de novas fases da rede de dipolo elétrico, eu. e. um conjunto de dipolos elétricos de ponto de interação, "explicou Mikhail Belyanchikov, um dos iniciadores do estudo e pesquisador júnior no Laboratório de Espectroscopia Terahertz do MIPT. "Um grande número de fases dipolares magnéticas diferentes foram descobertas, mas a pesquisa de fases materiais relacionadas não a dipolos magnéticos, mas sim a dipolos elétricos pontuais, ainda está em seus estágios iniciais. redes dipolo elétricas são um tipo de ferroelétrico que pode ter aplicações microeletrônicas promissoras. "

p Sabe-se que realizar experimentalmente uma rede de dipolos elétricos pontuais é uma tarefa desafiadora. Normalmente, os físicos usam a chamada rede óptica interferométrica - uma estrutura periódica de campos que é criada como resultado da interferência de feixes de laser. Átomos ultracold de materiais a serem estudados são colocados nos pontos da rede.

p Mas os pesquisadores do Laboratório de Espectroscopia Terahertz do MIPT encontraram uma maneira mais eficiente. Eles colocam moléculas de água separadas que possuem um momento de dipolo elétrico bastante alto em uma chamada matriz dielétrica, nesse caso, uma rede de cristal de zeólita com vazios em nanoescala periodicamente distribuídos, formados por íons de rede. Em seguida, obtém-se uma amostra de fácil manuseio (um cristal) com moléculas de água praticamente livres presas (durante o crescimento do cristal) nesses vazios - a chamada água nanoconfinada. Esta amostra pode ser estudada em uma ampla gama de temperaturas, incluindo a temperatura ambiente e em diferentes ambientes (campos elétricos, pressão, etc.).

p O principal resultado do estudo, no entanto, foi alcançado a uma temperatura bastante baixa de 3 K (–270 ° C). A rede de dipolo elétrico estudada de moléculas de água polares foi baseada em um cristal de cordierita - um membro da família dos zeólitos. Os pesquisadores observaram uma transição de fase ferroelétrica desordem de ordem em uma rede molecular de água nanoconfinada tridimensional na temperatura de 3 K.

p "Anteriormente, estudamos moléculas de água nanoconfinada semelhantes localizadas dentro de uma matriz de berilo, um cristal que possui uma estrutura muito semelhante à da cordierita. Não registramos a ordenação de dipolos moleculares neste sistema, mesmo a 0,3 K, a temperatura mais baixa que conseguimos atingir. A razão pode ser a simetria relativamente alta (hexagonal) da estrutura do cristal de berilo e os fenômenos da mecânica quântica que governam as propriedades da água em temperaturas tão baixas, "observou Mikhail Belyanchikov." Ao mesmo tempo, é a simetria cristalina um pouco inferior (ortorrômbica) da cordierita que desencadeou a transição de fase em uma série de moléculas de água hospedadas por sua estrutura cristalina. "

p Para analisar e interpretar os resultados experimentais, pesquisadores empregaram modelagem computacional. A simulação de Monte Carlo e outros métodos matemáticos foram usados ​​para a solução numérica da extremamente complexa equação de Schrödinger de multipartículas que descreve o sistema de dipolo elétrico de moléculas polares de água em interação.

p A modelagem por computador ajudou a visualizar a fase ordenada em escala microscópica - ou melhor, nanoscópica. E mais uma vez, os cientistas foram pegos de surpresa, pois essa fase se revelou bastante incomum. Ela se manifesta como coexistência de ordenações ferroelétricas e antiferroelétricas de momentos de dipolo de água. Pode ser visualizado como uma pilha de folhas alternadas de dipolos co-alinhados, onde dipolos em cada duas folhas adjacentes são orientados antiparalelos (ver a fig.). As simulações também mostraram que a estrutura de dipolos de água ordenados (setas na figura) pode ser ainda mais complexa. Isso acontece quando as moléculas de água preenchem apenas algumas das cavidades do cristal. Nesse caso, setas dipolo no grupo de folhas em domínios separados.

p "O estudo das moléculas de água nanoconfinada não só tem uma importância fundamental para o campo das redes eletrodipolares, mas também contribui para uma compreensão mais profunda dos fenômenos naturais e pode até permitir a construção de dispositivos nanoeletrônicos biocompatíveis. Este é um campo em rápido desenvolvimento que promete novidades e eletrônicos extremamente eficientes com base em materiais biológicos, "comenta Boris Gorshunov, que chefia o Laboratório de Espectroscopia Terahertz do MIPT.