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研究人员发现纳米受限水的新阶段

信息来源:星火计划 发布时间:【2020-08-14 】 点击次数:
太赫兹光谱MIPT实验室的研究人员及其俄罗斯和国际同事发现了纳米受限水的新阶段。分离水分子,这些水分子被限制在堇青石晶格离子形成的纳米腔内。偶极-偶极耦合水分子网络中的相变的第一个可靠实验观察,本身就是重要的基本突破。但是除此之外,发现的现象还可以在铁电,人工量子系统和生物相容性纳米电子学中找到实际应用。
 
这项研究是MIPT科学家和研究人员的共同努力,他们来自Shubnikov晶体学研究所,AM Prokhorov RAS普通物理研究所,Skoltech,Sobolev地质与矿物学研究所,新西伯利亚国立大学以及他们的德国同事(斯图加特大学) ,捷克共和国(布拉格物理研究所)和日本(东京大学)。该研究的结果已在《自然通讯》上报道。
 
“我们正在寻找电偶极子晶格的新相,即相互作用点电偶极子的集合,”该研究的发起人之一,太赫兹光谱的MIPT实验室的初级研究员Mikhail Belyanchikov解释说。“已经发现了大量不同的磁偶极子相,但是与磁偶极子点有关的材料相的研究仍处于早期阶段。此外,电偶极子晶格是一种铁电体,可能具有广阔的微电子学前景。申请。”
堇青石晶体。信用:Depositphotos
众所周知,通过实验实现点电偶极子的晶格是一项艰巨的任务。通常,物理学家使用所谓的干涉光学晶格-一种由于激光束干扰而产生的场的周期性结构。将要研究的材料的超冷原子置于晶格点中。
 
但是MIPT太赫兹光谱实验室的研究人员发现了一种更有效的方法。它们放置该具有相当高的电偶极矩为所谓的介电基质分离水分子,在这种情况下,沸石晶格与由晶格离子形成的周期性分布的纳米级孔隙。然后,将获得一份易于处理的样品(一种晶体),该样品中包含(在晶体生长过程中)几乎自由的水分子(称为纳米受限水)被困在这些空隙中。该样品可在包括室温在内的各种温度范围内以及不同环境(电场,压力等)中进行研究。
 
但是,该研究的关键结果是在3 K(–270°C)的较低温度下获得的。研究过的极性水分子的电偶极子晶格是基于堇青石晶体(堇青石分子的一种)。研究人员在3 K温度下在三维纳米受限水分子网络中观察到有序-无序铁电相变。
 
数字。堇青石晶体内极性水分子的电偶极子晶格有序状态的示意图。偶极矩由箭头指示。有序状态通过铁电(红色ab平面)和反铁电(蓝色bc平面)顺序的共存来体现。铁电平面沿晶体的c轴反铁电交替。信用:图片由研究人员提供
“以前,我们研究了位于绿柱石基质中的类似的纳米约束水分子,绿柱石是一种具有与堇青石非常相似的结构的晶体。即使在最低温度0.3 K,我们也没有在该系统中记录分子偶极的有序性。原因可能是绿柱石晶格的相对较高的对称性(六角形)和在如此低的温度下控制水的性质的量子力学现象。” “与此同时,堇青石的较低的晶体对称性(斜方晶)触发了由其晶格占据的一系列水分子的相变。”
 
 
为了分析和解释实验结果,研究人员采用了计算机建模。蒙特卡罗模拟和其他数学方法用于求解极其复杂的多粒子Schrödinger方程的数值解,该方程描述了相互作用的极性水分子的电偶极子系统。
 
计算机建模有助于以微观(甚至是纳米)规模可视化有序相。再次,让科学家感到惊讶的是,这一阶段变得非常不寻常。它表现为水偶极矩的铁电和反铁电有序并存。可以将其可视化为一堆交替排列的共排列的偶极子,其中每两个相邻片中的偶极子呈反平行定向(请参见图)。模拟还表明,有序水偶极子的结构(图中的箭头)可能更加复杂。当水 分子仅填充晶体的某些空腔时,就会发生这种情况。在这种情况下,工作表中的偶极子箭头会在单独的域中分组。
 
“不仅研究纳米受限水分子在电偶极子晶格领域中具有根本重要性,而且还有助于加深对自然现象的理解,甚至可能使生物相容性纳米电子器件的构建成为可能。这是一个迅速发展的领域,有望为人们带来新的发展。以及基于生物材料的超高效电子产品,”太赫兹光谱MIPT实验室负责人Boris Gorshunov说道。

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