Физики заперли воду в изумруде

Международная группа учёных во главе с физиками из МФТИ впервые зафиксировала электрическое упорядочение молекул воды, заперев их в нанопорах кристалла берилла. Соответствующая статья опубликована в Nature Communications. 

Вода в жидком состоянии резко изменяет свои свойства в зависимости от среды, в которой оказалась. Если в ней нет примесей, между её молекулами всего 1—2 ангстрема (стотысячных доли сантиметра). На таком расстоянии возникают очень сильные связи между атомами водорода и молекул-соседей. Однако стоит молекуле воды попасть в замкнутые трёхмерные структуры диаметром в несколько нанометров, всё резко изменяется. Здесь расстояние между молекулами составляет 10—100 ангстрем. В таких условиях водородная связь уже не помогает частицам держать связь друг с другом, и поведение воды определяет дипольный электрический момент.

Поскольку молекула воды (H₂O) обладает очень большим дипольным моментом, в отсутствие водородных связей моменты взаимодействуют друг с другом, проявляя сегнетоэлектрические свойства. Сегнетоэлектричеством называют явление взаимной ориентации электрических дипольных моментов. Именно это происходит с водой в живой клетке, топливных элементах и ряде полимеров.

Однако до сих пор изучать воду в таком состоянии, где ей управляет сегнетоэлектричество, а не водородные связи, практически не удавалось. Ведь её молекулы должны быть не просто связаны в замкнутых структурах, но ещё и находиться в однородных с физико-химический точки зрения условиях. Кроме того, важно, чтобы исследователи могли всё время наблюдать за их состоянием.

Удовлетворить сразу всем этим требованиям было очень сложно. Тем не менее физики МФТИ нашли неожиданный и оригинальный способ решить проблему. Они смогли поместить отдельные молекулы H₂O в наноразмерные полости, образованные ионами кристаллической решётки берилла. Из него состоят некоторые драгоценные камни. Наиболее известные из них — изумруд и аквамарин. Наноразмерные полости располагаются упорядоченно в 5—10 ангстремах друг от друга, что облегчает анализ. Важно, что на таком расстоянии водородные связи уже не работают, а диполь-дипольные силы всё ещё существенны.

Чтобы удостовериться, что их метод позволяет изучать сегнетоэлектричество от молекул воды, авторы работы экспериментально доказали наличие электрической упорядоченности в получившейся системе вода — берилл. Она показала, что диэлектрическая проницаемость зависит от температуры по закону Кюри — Вейсса. Кроме того, эксперименты выявили наличие особой линии поглощения в оптических спектрах и зависимость этой линии от температуры.

Этот результат имеет практическое значение. Вода, "запертая" в порах, и её дипольный момент играют ключевую роль в самых разных явлениях биологии, химии и даже в процессах формирования планет. Авторы работы отмечают, что её результаты могут найти применение в топливных батареях, светодиодных наноразмерных устройствах и в ряде направлений наноразмерной электроники в целом. 

Следует отметить, что, несмотря на многократные попытки учёных по всему миру, до этого момента сегнетоэлектричество в системе молекул H₂O не наблюдали в экспериментах. Таким образом, новая работа — несомненно, крупный успех её авторов.