Учёные обнаружили сегнетоэлектричество в распределённых по нанопорам кристалла молекулах воды
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.
(На фото — кристаллы берилла с водяными молекулами внутри нанопор. Источник — предоставлена авторами статьи.)
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.
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
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.
«Как эль.магнитным полем разложить воду?» — Яндекс Кью
Популярное
Сообщества
ФизикаВода
Павел Кудалин
·
154
ОтветитьУточнитьЛилия Старнова
Профессия и хобби совпадают-это физика. Люблю готовить, читать книги по философии… · 16 мар
Молекула воды представляет из себя диполь с энергией диссоциацией 484 кДж/моль. То есть, чтобы «растащить» молекулы воды на кислород и водород надо затратить эту энергию. Это можно сделать с помощью электролиза, но энергозатраты на получение водорода не окупают выгоды от использования полученного водорода в качестве источника тепла в экоэнергетике с учётом его теплоты горения.
Более перспективным способом получения водорода из воды является получение его с помощью электрического поля. Суть этого способа заключается в приложении пластин электродов к сосуду с водой в результате чего образуется кондесатор с электролитом ввиде молекул жидкой воды. Далее на электроды подаётся высоковольтное выпрямленное напряжение импульсной формы с n-модой колебаний ,близкой к собственной резонансной (или кратной ей) частоте молекулы воды. В процессе электромагнитного резонансного взаимодействия с диполями(молекулами) воды происходит «раскачка» амплитуды собственных колебаний диполей воды и за короткое время достигается потенциал поля способного разрушить эти диполи на исходные элементы-водород и кислород.
Павел Кудалин
19 марта
Мир произошёл, с неограниченной матерьяльной базой, из 2-х частиц, а теперь КПД свыше 100% стало невозможным.
Комментировать ответ…Комментировать…
Лилия Старнова
Профессия и хобби совпадают-это физика.
Люблю готовить, читать книги по философии… · 6 июл
Молекула воды представляет из себя диполь с энергией диссоциацией 484 кДж/моль. То есть, чтобы «растащить» молекулы воды на кислород и водород надо затратить эту энергию. Это можно сделать с помощью электролиза, но энергозатраты на получение водорода не окупают выгоды от использования полученного водорода в качестве источника тепла в экоэнергетике с учётом его теплоты… Читать далее
Комментировать ответ…Комментировать…
Федор Р.
63
Бауманец. Веду курсы компьютерной диагностики. Дополнительно проходил обучение: лектор-меж… · 4 апр
В теории это хорошая идея, только (на мой взгляд) трудновыполнимая на практике. Не будем вдаваться в дебри квантовой теории, попробуем разобраться в проблеме «на пальцах». Два атома Н и один атом О объединяются в молекулу Н2О за счёт своих электронных оболочек. Разрушить эту связь можно путем приложением внешней энергии.
Комментировать ответ…Комментировать…
Вы знаете ответ на этот вопрос?
Поделитесь своим опытом и знаниями
Войти и ответить на вопрос
моментов молекулярного диполя
момент молекулярного диполя Несмотря на то, что общий заряд молекулы равен нулю, природа химических связей такова, что в большинстве молекул положительные и отрицательные заряды не перекрываются полностью. Такие молекулы называются полярными, потому что они обладают постоянным дипольным моментом. Хорошим примером является дипольный момент молекулы воды. Молекулы с зеркальной симметрией, такие как кислород, азот, двуокись углерода и четыреххлористый углерод, не имеют постоянных дипольных моментов. Даже если постоянного дипольного момента нет, можно индуцировать дипольный момент приложением внешнего электрического поля.
| Индекс Концепции электрического диполя | ||
| Назад |
Это 0,0039 нм по сравнению с примерно 0,05 нм для первого боровского радиуса атома водорода и примерно 0,15 нм для эффективного радиуса водорода в жидкой форме, поэтому разделение зарядов мало по сравнению с атомным радиус. Полярная природа молекул воды позволяет им связываться друг с другом в группы и связана с высоким поверхностным натяжением воды. | Индекс Концепции напряжения Электрические концепции диполя Справочник | |||||||||
Полный молекулярный дипольный момент для жидкой воды
Аннотация Для молекулы воды диполь — это первый ненулевой мультипольный момент; он представляет полярность молекулы и широко используется для описания поведения сольватации. В литературе сообщается о довольно широком диапазоне теоретически определенных значений полного молекулярного дипольного момента воды в конденсированных фазах. В этой статье описывается способ, с помощью которого средний полный дипольный момент молекулы воды в жидком состоянии может быть связан с экспериментальными данными показателя преломления. Используемый подход среднего поля включает три компонента. Разработана формальная структура, которая связывает температурную зависимость эффективной молекулярной поляризуемости со средним локальным электрическим полем, испытываемым молекулой жидкой воды в выбранном диапазоне температур. Также необходима характеристика распределений локальных полей и градиентов поля, и это было определено на основе компьютерного моделирования проб жидкой воды при нескольких различных температурах для двух стандартных потенциалов воды.
|
Последний компонент, свойства электрического отклика молекулы воды (включая нелинейные вклады вплоть до четвертого порядка), был определен из расчетов ab initio для молекул газовой и жидкой фаз и описан в другом месте [A. Губская В., Кусалик П.Г. // Мол. физ. 99, 1107 (2001)]. Путем объединения этих трех компонентов температурная зависимость среднего локального электрического поля и, следовательно, среднего полного дипольного момента извлекается из данных для показателя преломления жидкой воды. Почти 10-процентное изменение дипольного момента в зависимости от температуры наблюдается в диапазоне от 273 до 373 К. Значение, полученное для молекулярного дипольного момента при 300 К, 2,95 ± 0,2 Д, прекрасно согласуется с недавно опубликованным результатом, извлеченным из x -данные рассеяния лучей, а также некоторые недавние теоретические предсказания.
