Onderzoekers ontdekken een nieuwe fase van nanoconfined water

Onderzoekers van het MIPT Laboratorium van Terahertz Spectroscopy ontdekten samen met hun Russische en internationale collega’s een nieuwe fase van nanoconfined water; afzonderlijke watermoleculen die zijn opgesloten in nanocaviteiten gevormd door ionen van cordieriet kristalrooster. De eerste betrouwbare experimentele waarneming van een faseovergang in een netwerk van dipool-dipool gekoppelde watermoleculen is op zichzelf een belangrijke fundamentele doorbraak. Maar afgezien daarvan kan het ontdekte fenomeen ook praktische toepassingen vinden in ferro-elektronica, kunstmatige kwantumsystemen en biocompatibele nano-elektronica.

De studie was een gezamenlijke inspanning van MIPT-wetenschappers en onderzoekers van het Shubnikov Institute of Crystallography, AM Prokhorov General Physics Institute of RAS, Skoltech, Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, en Novosibirsk State University, evenals hun collega’s uit Duitsland (Universiteit van Stuttgart) , Tsjechië (Prague Institute of Physics), en Japan (University of Tokyo). De resultaten van het onderzoek zijn gerapporteerd in Nature Communications.

“We zijn op zoek naar nieuwe fasen van het elektrische dipoolrooster, dat wil zeggen een ensemble van wisselwerkende elektrische puntdipolen”, legt Mikhail Belyanchikov uit, een van de initiatiefnemers van de studie en een junior onderzoeker bij MIPT Laboratory of Terahertz Spectroscopy. “Er is een groot aantal verschillende magnetische dipoolfasen ontdekt, maar het onderzoek van materiële fasen die niet gerelateerd zijn aan magnetische maar eerder aan puntvormige elektrische dipolen bevindt zich nog in de beginfase. Bovendien zijn elektrische dipoolroosters een soort ferro-elektrische systemen die mogelijk veelbelovende micro-elektronische toepassingen. ”

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

Maar onderzoekers van MIPT Laboratory of Terahertz Spectroscopy vonden een efficiëntere manier. Ze plaatsen afzonderlijke watermoleculen die een vrij hoog elektrisch dipoolmoment hebben in een zogenaamde diëlektrische matrix, in dit geval een zeolietkristalrooster met periodiek verdeelde holtes op nanoschaal gevormd door roosterionen. Men krijgt dan een gemakkelijk hanteerbaar monster (een kristal) met praktisch vrije watermoleculen die gevangen zitten (tijdens kristalgroei) in deze holtes – het zogenaamde nanoconfined water. Dit monster kan worden bestudeerd in een breed temperatuurbereik, inclusief kamertemperatuur en in verschillende omgevingen (elektrische velden, druk, enz.).

Het belangrijkste resultaat van de studie 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 ferro-elektrische faseovergang met een orde-stoornis in een driedimensionaal nanoconfined moleculair waternetwerk bij een temperatuur van 3 K.

“Eerder hadden we vergelijkbare nanoconfined watermoleculen bestudeerd die zich in een matrix van beryl bevinden, een kristal dat de structuur heeft die sterk 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 De reden kan de relatief hoge symmetrie (hexagonaal) van het berylkristalrooster zijn en de kwantummechanische verschijnselen die de eigenschappen van water bij zulke lage temperaturen beheersen, “merkte Mikhail Belyanchikov op. “Tegelijkertijd is het de ietwat lagere (orthorhombische) kristallijne symmetrie van cordieriet die de faseovergang in gang heeft gezet in een reeks watermoleculen die worden ondergebracht in het kristalrooster.”

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

Computermodellering hielp het visualiseren van de geordende fase op microscopische – of beter gezegd nanoscopische – schaal. En nogmaals, de wetenschappers waren verrast omdat deze fase nogal ongebruikelijk bleek te zijn. Het manifesteert zich als het naast elkaar bestaan ​​van ferro-elektrische en antiferro-elektrische ordeningen van waterdipoolmomenten. Het kan worden gevisualiseerd als een stapel afwisselende vellen van samen uitgelijnde dipolen waarbij dipolen in elke twee aangrenzende vellen antiparallel zijn georiënteerd (zie de afbeelding). De simulaties lieten ook zien 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 groeperen dipoolpijlen in de bladen zich in afzonderlijke domeinen.

“Het bestuderen van nanoconfined watermoleculen is niet alleen van fundamenteel belang voor het gebied van elektro-dipolaire roosters, maar het draagt ​​ook bij tot een beter begrip van natuurlijke fenomenen en maakt mogelijk zelfs de constructie van biocompatibele nano-elektronische apparaten mogelijk. Dit is een zich snel ontwikkelend veld dat nieuwe belooft en uiterst efficiënte elektronica op basis van biologische materialen ”, zegt Boris Gorshunov, hoofd van het MIPT Laboratory of Terahertz Spectroscopy.