I ricercatori del MIPT Laboratory of Terahertz Spectroscopy insieme ai loro colleghi russi e internazionali hanno scoperto una nuova fase dell'acqua nanoconfinata; molecole d'acqua separate che sono confinate all'interno di nanocavità formate da ioni di reticolo cristallino di cordierite. La prima osservazione sperimentale affidabile di una transizione di fase in una rete di molecole d'acqua accoppiate dipolo-dipolo è, in sé e per sé, un'importante svolta fondamentale. Ma a parte questo, il fenomeno scoperto può trovare applicazioni pratiche anche nei ferroelettrici, sistemi quantistici artificiali, e nanoelettronica biocompatibile.

Lo studio è stato uno sforzo congiunto di scienziati e ricercatori del MIPT dell'Istituto di cristallografia Shubnikov, A. M. Prokhorov Istituto di fisica generale della RAS, Skoltech, Istituto Sobolev di geologia e mineralogia, e Università statale di Novosibirsk, così come i loro colleghi dalla Germania (Università di Stoccarda), la Repubblica Ceca (Istituto di Fisica di Praga), e Giappone (Università di Tokyo). I risultati dello studio sono stati riportati in Comunicazioni sulla natura .

"Stiamo cercando nuove fasi del reticolo di dipolo elettrico, io. e. un insieme di dipoli elettrici puntiformi interagenti, " ha spiegato Mikhail Belyanchikov, uno degli iniziatori dello studio e un ricercatore junior presso il Laboratorio MIPT di spettroscopia Terahertz. "Sono state scoperte un gran numero di diverse fasi di dipolo magnetico, ma la ricerca di fasi materiali legate non ai dipoli magnetici ma piuttosto ai dipoli elettrici puntuali è ancora agli inizi. Inoltre, i reticoli di dipolo elettrico sono un tipo di materiale ferroelettrico che potrebbe avere promettenti applicazioni microelettroniche".

È noto che realizzare sperimentalmente un reticolo di dipoli elettrici puntiformi è un compito impegnativo. Di solito i fisici usano il cosiddetto reticolo ottico interferometrico, una struttura periodica di campi creata come risultato dell'interferenza dei raggi laser. Gli atomi ultrafreddi dei materiali da studiare sono posti nei punti del reticolo.

Ma i ricercatori del MIPT Laboratory of Terahertz Spectroscopy hanno trovato un modo più efficiente. Mettono molecole d'acqua separate che possiedono un momento di dipolo elettrico piuttosto elevato in una cosiddetta matrice dielettrica, in questo caso, un reticolo cristallino di zeolite con vuoti su scala nanometrica periodicamente distribuiti formati da ioni reticolari. Si ottiene quindi un campione facilmente manipolabile (un cristallo) con molecole d'acqua praticamente libere intrappolate (durante la crescita dei cristalli) in questi vuoti, la cosiddetta acqua nanoconfinata. Questo campione può essere studiato in un'ampia gamma di temperature compresa la temperatura ambiente e in diversi ambienti (campi elettrici, pressione, eccetera.).

Il risultato chiave dello studio, tuttavia, è stato raggiunto a una temperatura piuttosto bassa di 3 K (–270 °C). Il reticolo di dipolo elettrico studiato delle molecole di acqua polare era basato su un cristallo di cordierite, un membro della famiglia delle zeoliti. I ricercatori hanno osservato una transizione di fase ferroelettrica ordine-disordine in una rete molecolare tridimensionale di acqua nanoconfinata alla temperatura di 3 K.

"In precedenza, avevamo studiato molecole d'acqua nanoconfinate simili situate all'interno di una matrice di berillo, un cristallo che possiede la struttura molto simile a quella della cordierite. Non abbiamo registrato l'ordinamento dei dipoli molecolari in questo sistema anche a 0,3 K, la temperatura più bassa che siamo riusciti a raggiungere. Il motivo potrebbe essere la simmetria relativamente alta (esagonale) del reticolo cristallino di berillo e i fenomeni quantomeccanici che regolano le proprietà dell'acqua a temperature così basse, " ha osservato Mikhail Belyanchikov. "Allo stesso tempo, è la simmetria cristallina leggermente inferiore (ortorombica) della cordierite che ha innescato la transizione di fase in una serie di molecole d'acqua ospitate dal suo reticolo cristallino."

Per analizzare e interpretare i risultati sperimentali, i ricercatori hanno impiegato la modellazione al computer. La simulazione Monte Carlo e altri metodi matematici sono stati utilizzati per la soluzione numerica dell'equazione di Schrödinger multiparticella estremamente complessa che descrive il sistema di dipolo elettrico delle molecole d'acqua polari interagenti.

La modellazione al computer ha aiutato a visualizzare la fase ordinata su scala microscopica, o meglio nanoscopica. E ancora una volta, gli scienziati sono stati colti di sorpresa poiché questa fase si è rivelata piuttosto insolita. Si manifesta come coesistenza di ordinamenti ferroelettrici e antiferroelettrici dei momenti di dipolo dell'acqua. Può essere visualizzato come una pila di fogli alternati di dipoli coallineati in cui i dipoli in ogni due fogli adiacenti sono orientati in modo antiparallelo (vedi fig.). Le simulazioni hanno anche mostrato che la struttura dei dipoli d'acqua ordinati (frecce nella figura) può essere ancora più complessa. Questo accade quando le molecole d'acqua riempiono solo alcune delle cavità del cristallo. In quel caso, frecce dipolo nel gruppo di fogli in domini separati.

"Non solo lo studio delle molecole d'acqua nanoconfinate ha un'importanza fondamentale per il campo dei reticoli elettrodipolari, ma contribuisce anche a una comprensione più profonda dei fenomeni naturali e potrebbe persino consentire la costruzione di dispositivi nanoelettronici biocompatibili. Questo è un campo in rapido sviluppo che promette nuove ed elettronica estremamente efficiente basata su materiali biologici, " commenta Boris Gorshunov, che dirige il Laboratorio MIPT di Spettroscopia Terahertz.