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

На фото — кристаллы берилла с водяными молекулами внутри нанопор. Фото предоставлено авторами статьи.

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

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 решетки 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) все еще 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 ее определенная температурная зависимость. Все эти признаки ученые обнаружили в «растворенной» в берилле воде.

«Нашему коллективу впервые удалось реализовать условия для надежного 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 ученых, 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 расчетов 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.