Fyzici poprvé pozorují zarovnání vodních dipólů

David Icke - Lev Již Nedřímá 3/4, CZ titulky, 2012, HD (Smět 2019).

Anonim

Vědci z MIPT a několika výzkumných týmů pracujících v Rusku a dalších evropských zemích byli prvními, kteří spolehlivě uvědomili a zdokumentovali fenomén molekulárních dipólů ve vodě tím, že omezují molekuly vody v nanokádách v berylovém krystalu. Výsledky jejich práce byly publikovány v Nature Communications.

Ve fyzice v pevné fázi se pojem feroelectricity týká vlastností materiálu, jehož elektrické dipólové momenty, zatímco se ochlazují, se vyrovnají v uspořádaném vzoru. Vzhledem k tomu, že molekula vody je charakterizována velmi velkým dipólovým momentem (přibližně 1, 9 D, kde "D" znamená debye, jednotka elektrického dipólového momentu), lze očekávat, že molekulární dipoly by v kapalné vodě měly silně reagovat s každým jiné a následně se sjednotit určitým způsobem, tj. prokázat feroelektrické chování.

Avšak v kapalné vodě se takové uspořádání nevyskytuje kvůli tomu, že molekuly jsou lokalizovány tak blízko, že jejich interakce jsou převládajícími vodíkovými vazbami krátkého dosahu, které potlačují dipólové síly s dlouhým dosahem.

Situace se mění drasticky, když jsou molekuly vody nuceny interagovat s cizími strukturami / povrchy nebo jsou uzavřeny v uzavřených dutinách dostatečně malých (nanometrických) rozměrů. Za takových podmínek může být úloha vodíkových vazeb snížena jejich "přesměrováním" na tyto další interakce, aby se do popředí dostaly interakce mezi vodními dipóly.

Tým výzkumníků vymyslel jemný a nečekaný způsob vytváření podmínek, kdy by interakce dipól-dipól mezi molekulami vody byly silnější než vodíkové vazby. Podařilo se omezit jednotlivé molekuly H2O v síti nanosizovaných dutin v krystalové struktuře beryl, což je minerál, který se používá jako drahokam - nejznámější odrůdy jsou smaragd a akvamarín. Tyto dutiny se vyskytují v pravidelných intervalech (ulehčují matematické analýzy) a nejdůležitější jsou od sebe odděleny 5-10 Å (angstroms), což znamená, že vodíkové vazby jsou zanedbatelné (efektivní interakční rozsah 1-2 Å), zatímco dipól-dipól interakce (efektivní rozsah interakcí 10-100 Å) stále mají významný účinek.

Feroelektrické materiály mají několik charakteristických vlastností nebo "otisky prstů", které umožňují experimentátorům spolehlivě detekovat dipolární uspořádání v systému. Například je známo, že dielektrická permitivita feroelektrického článku se mění podle teploty podle zákona Curie-Weiss. Dalším příkladem je pojem "měkkého režimu", tj. Speciální absorpční rezonance na infračervených nebo terahertzových frekvencích, jejichž parametry mají specifickou závislost na teplotě. Vědci zjistili, že všechny tyto feroelektrické otisky prstů ve vodě "rozpuštěné" v berylu.

"Náš tým se podařilo umístit molekuly vody za podmínek, které nám umožňují získat první spolehlivé pozorování vyrovnání molekulárních dipólů vody. Pokud jde o možné praktické aplikace, jejich rozsah by mohl být poměrně široký. nyní mají příležitost studovat tento jev pod vlivem různých vnějších faktorů - teploty, tlaku, iontového prostředí atd., a tak podporovat naše chápání tohoto jevu a jeho role v různých systémech, včetně živých organismů, "říká Boris Gorshunov, vedoucí laboratoře Terahertzovy spektroskopie v MIPT.

Elektrické pole, která jsou generována nanokonfinovanou vodou, by mohla hrát důležitou roli v různých jevech studovaných v biologii, chemii, geologii a meteorologii nebo dokonce i při tvorbě planet naší sluneční soustavy.

Ve skutečnosti mnoho počítačových výpočtů a simulací předpovídá vyrovnání vodních molekulových dipólů za předpokladu, že vodíkové vazby jsou nějakým způsobem "odkloněny" k cílení na uměle zavedené povrchy nebo dutiny, jako jsou uhlíkové nanotrubice nebo dvourozměrné kovové substráty. Nicméně, dosud nebyly získány žádné pevné experimentální důkazy pro uspořádání dipól-dipólů molekul vody, ačkoli výzkumníci na celém světě se již mnoho pokusů pokusili.

menu
menu