Los investigadores del Laboratorio MIPT de Espectroscopía de Terahercios junto con sus colegas rusos e internacionales descubrieron una nueva fase de agua nanoconfinada; moléculas de agua separadas que están confinadas dentro de nanocavidades formadas por iones de la red cristalina de cordierita. La primera observación experimental confiable de una transición de fase en una red de moléculas de agua acopladas dipolo-dipolo es, en sí mismo, un avance fundamental importante. Pero aparte de eso, el fenómeno descubierto también puede encontrar aplicaciones prácticas en ferroeléctricos, sistemas cuánticos artificiales, y nanoelectrónica biocompatible.

El estudio fue un esfuerzo conjunto de científicos de MIPT e investigadores del Instituto de Cristalografía Shubnikov, A. M. Prokhorov Instituto de Física General de RAS, Skoltech, Instituto Sobolev de Geología y Mineralogía, y la Universidad Estatal de Novosibirsk, así como sus colegas de Alemania (Universidad de Stuttgart), la República Checa (Instituto de Física de Praga), y Japón (Universidad de Tokio). Los resultados del estudio se han informado en Comunicaciones de la naturaleza .

"Estamos buscando nuevas fases de celosía dipolo eléctrica, I. mi. un conjunto de dipolos eléctricos puntuales que interactúan, "explicó Mikhail Belyanchikov, uno de los iniciadores del estudio e investigador junior en el Laboratorio MIPT de Espectroscopia de Terahercios. "Se ha descubierto un gran número de diferentes fases de dipolos magnéticos, pero la investigación de fases materiales relacionadas no con dipolos magnéticos sino con dipolos eléctricos puntuales se encuentra todavía en sus primeras etapas. Además, las celosías dipolo eléctricas son un tipo de ferroeléctricos que pueden tener aplicaciones microelectrónicas prometedoras ".

Se sabe que realizar experimentalmente una red de dipolos eléctricos puntuales es una tarea desafiante. Por lo general, los físicos utilizan la llamada red óptica interferométrica, una estructura periódica de campos que se crea como resultado de la interferencia de los rayos láser. Los átomos ultrafríos de los materiales a estudiar se colocan en los puntos de la red.

Pero los investigadores del Laboratorio MIPT de Espectroscopia de Terahercios encontraron una forma más eficiente. Colocan moléculas de agua separadas que poseen un momento dipolar eléctrico bastante alto en una llamada matriz dieléctrica, en este caso, una red cristalina de zeolita con huecos a nanoescala distribuidos periódicamente formados por iones de red. Luego, se obtiene una muestra de fácil manejo (un cristal) con moléculas de agua prácticamente libres atrapadas (durante el crecimiento del cristal) en estos vacíos, el llamado agua nanoconfinada. Esta muestra se puede estudiar en una amplia gama de temperaturas, incluida la temperatura ambiente y en diferentes entornos (campos eléctricos, presión, etc.).

Sin embargo, el resultado clave del estudio se logró a una temperatura bastante baja de 3 K (–270 ° C). La red dipolar eléctrica estudiada de moléculas de agua polares se basó en un cristal de cordierita, un miembro de la familia de las zeolitas. Los investigadores observaron una transición de fase ferroeléctrica con desorden de orden en una red molecular de agua nanoconfinada tridimensional a la temperatura de 3 K.

"Previamente, habíamos estudiado moléculas de agua nanoconfinadas similares ubicadas dentro de una matriz de berilo, un cristal que posee la estructura muy similar a la de la cordierita. No registramos el orden de dipolos moleculares en este sistema incluso a 0.3 K, la temperatura más baja que pudimos alcanzar. La razón puede ser la simetría relativamente alta (hexagonal) de la red cristalina de berilo y los fenómenos mecánicos cuánticos que gobiernan las propiedades del agua a temperaturas tan bajas. "señaló Mikhail Belyanchikov." Al mismo tiempo, es la simetría cristalina algo más baja (ortorrómbica) de la cordierita la que desencadenó la transición de fase en una serie de moléculas de agua alojadas en su red cristalina ".

Para analizar e interpretar los hallazgos experimentales, los investigadores emplearon modelos informáticos. La simulación de Monte Carlo y otros métodos matemáticos se utilizaron para la solución numérica de la ecuación de Schrödinger de múltiples partículas extremadamente compleja que describe el sistema de dipolos eléctricos de las moléculas de agua polares que interactúan.

El modelado por computadora ayudó a visualizar la fase ordenada a escala microscópica, o más bien nanoscópica. Y otra vez los científicos fueron tomados por sorpresa ya que esta fase resultó ser bastante inusual. Se manifiesta como coexistencia de ordenamientos ferroeléctricos y antiferroeléctricos de momentos dipolares de agua. Puede visualizarse como una pila de hojas alternas de dipolos co-alineados donde los dipolos de cada dos hojas adyacentes están orientados en sentido antiparalelo (ver la fig.). Las simulaciones también mostraron que la estructura de los dipolos de agua ordenados (flechas en la figura) puede ser aún más compleja. Esto sucede cuando las moléculas de agua solo llenan algunas de las cavidades del cristal. En ese caso, flechas dipolo en el grupo de hojas en dominios separados.

"El estudio de las moléculas de agua nanoconfinadas no solo tiene una importancia fundamental para el campo de las redes electrodipolares, sino que también contribuye a una comprensión más profunda de los fenómenos naturales e incluso puede permitir la construcción de dispositivos nanoelectrónicos biocompatibles. Este es un campo en rápido desarrollo que promete nuevas y electrónica extremadamente eficiente basada en materiales biológicos, "comenta Boris Gorshunov, quien dirige el Laboratorio MIPT de Espectroscopía de Terahercios.