Ученым из МФТИ и ряда зарубежных и отечественных коллективов впервые удалось надежно реализовать и зафиксировать электрическое упорядочение молекул воды, заперев их в нанопорах кристалла берилла. Об их работе сообщает пресс-релиз МФТИ.
В физике твердого тела явление электрической упорядоченности – взаимной ориентации электрических дипольных моментов – называется сегнетоэлектричеством. Поскольку молекула воды (H2O) обладает очень большим дипольным моментом (около 1,9 Д; Д – дебай, единица измерения электрического дипольного момента), то можно было бы ожидать, что в жидкой воде эти моменты будут взаимодействовать и как-то взаимно сориентируются, проявят сегнетоэлектрические свойства. Однако, в жидкой воде подобной ориентации не происходит: молекулы расположены так близко друг к другу, что взаимодействие между ними определяется не дипольной природой, а более короткодействующими водородными связями, которые подавляют дальнодействующие диполь-дипольные силы.
Ситуация кардинально меняется, когда молекулы воды вступают во взаимодействие с какими-либо сторонними структурами или поверхностями, либо помещаются в замкнутые полости достаточно малого (масштаба нанометров) объема. Тогда роль водородных связей можно приуменьшить за счет их «переориентации» на эти дополнительные взаимодействия. Вот здесь-то и могут выйти на первый план взаимодействия между водяными диполями.
Коллективу исследователей удалось найти неожиданный и оригинальный способ заставить взаимодействие дипольных моментов молекул воды пересилить водородные связи. Они смогли поместить отдельные молекулы H2O в наноразмерные полости, образованные ионами кристаллической решетки берилла. Эти полости располагаются периодически и, что важно, на таком расстоянии (5–10 ангстрем), при котором водородные связи (характерная длина взаимодействия 1–2 ангстрем) уже не работают, а диполь-дипольные силы (характерная длина взаимодействия 10–100 ангстрем) все еще существенны.
Сегнетоэлектрики имеют несколько особых свойств — «отпечатков пальцев» (fingerprints), которые позволяют экспериментально доказать наличие электрической упорядоченности в какой-либо системе. Это, например, зависимость диэлектрической проницаемости от температуры по закону Кюри – Вейсса, а также наличие мягкой моды (особой линии поглощения) в оптических спектрах и ее определенная температурная зависимость. Все эти признаки ученые обнаружили в «растворенной» в берилле воде.
По словам ученых, электрические поля, формируемые ориентированными молекулами воды в условиях их «запирания» в наномасштабных областях – в условиях наноконфайнмента, могут играть ключевую роль в различных явлениях биологии, химии, геологии, метеорологии и даже в процессе формирования планет Солнечной системы.
Молекулы воды в структуре берилла. Красная стрелка — обозначение электрического дипольного момента. Илл.: МФТИ
Результаты многочисленных компьютерных расчетов и моделирований действительно предсказывают упорядочение дипольных моментов молекул воды в ситуациях, когда водородные связи «переключаются», «закорачиваются» на искусственно создаваемые поверхности или полости, такие, например, как углеродные нанотрубки или двумерные металлические подложки. Экспериментально же такого типа сегнетоэлектричество в подсистеме молекул H2O до сих пор не наблюдалось, несмотря на многократные попытки экспериментаторов по всему миру.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
