Одним из главных принципов уникальной «системы Физтеха», заложенной в основу образования в МФТИ, является тщательный отбор одаренных и склонных к творческой работе представителей молодежи. Абитуриентами Физтеха становятся самые талантливые и высокообразованные выпускники школ всей России и десятков стран мира.

Студенческая жизнь в МФТИ насыщенна и разнообразна. Студенты активно совмещают учебную деятельность с занятиями спортом, участием в культурно-массовых мероприятиях, а также их организации. Администрация института всячески поддерживает инициативу и заботится о благополучии студентов. Так, ведется непрерывная работа по расширению студенческого городка и улучшению быта студентов.

Адрес e-mail:

Учёные обнаружили сегнетоэлектричество в распределённых по нанопорам кристалла молекулах воды

На фото кристаллы берилла с водяными молекулами внутри нанопор. Фотография предоставлена авторами статьи


Учёным из МФТИ и ряда зарубежных и отечественных коллективов впервые удалось надёжно реализовать и зафиксировать электрическое упорядочение молекул воды, заперев их в нанопорах кристалла берилла. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.


В физике твёрдого тела явление существования 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 (взаимодействие стрелочек — молекулярных диполей).


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) объёма. Тогда роль водородных связей можно приуменьшить за счёт их «переориентации» на эти дополнительные взаимодействия. Вот здесь-то и могут выйти на первый план взаимодействия между водяными диполями.


pasted image 0.png


Рисунок: Молекулы воды в структуре берилла. Красная стрелка — обозначение электрического дипольного момента. Источник — пресс-служба МФТИ


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 решётки берилла — минерала, принадлежащего к семейству драгоценных камней (изумруд и аквамарин — наиболее известные разновидности берилла). Эти полости располагаются периодически (что облегчает математический анализ) и, что важно, на таком расстоянии (5–10 ангстрем, стотысячных долей сантиметра), при котором водородные связи (характерная длина взаимодействия 1–2 Å) уже не работают, а диполь-дипольные силы (характерная длина взаимодействия 10–100 Å) всё ещё 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 её определённая температурная зависимость. Все эти признаки учёные обнаружили в «растворённой» в берилле воде.


«Нашему коллективу впервые удалось реализовать условия для надёжного наблюдения взаимной ориентации электрических моментов молекул воды. Что касается практических применений обнаруженного явления, то область возможных приложений может быть весьма обширной. Вдобавок, у исследователей появилась возможность изучить влияние на это явление различных факторов: температуры, давления, ионного окружения  и продвинуться в понимании роли явления в различных процессах живой и неживой природы», — говорит Борис Горшунов, руководитель Лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ.


По словам учёных, 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.


Результаты многочисленных компьютерных расчётов 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.
Если вы заметили в тексте ошибку, выделите её и нажмите Ctrl+Enter.

МФТИ в социальных сетях

soc-vk soc-fb soc-tw soc-li soc-li soc-yt
Яндекс.Метрика