Molécules d'eau à l'intérieur d'un cristal. Crédit :Daria Sokol, MIPT
Des chercheurs du laboratoire MIPT de spectroscopie térahertz et leurs collègues russes et internationaux ont découvert une nouvelle phase d'eau nanoconfinée; séparer les molécules d'eau qui sont confinées dans des nanocavités formées par des ions de réseau cristallin de cordiérite. La première observation expérimentale fiable d'une transition de phase dans un réseau de molécules d'eau couplées dipôle-dipôle est, en soi, une percée fondamentale importante. Mais à part ça, le phénomène découvert peut également trouver des applications pratiques en ferroélectrique, systèmes quantiques artificiels, et la nanoélectronique biocompatible.
L'étude était un effort conjoint des scientifiques du MIPT et des chercheurs de l'Institut de cristallographie Shubnikov, Institut de physique générale A. M. Prokhorov de RAS, Skoltech, Institut Sobolev de géologie et de minéralogie, et l'Université d'État de Novossibirsk, ainsi que leurs collègues d'Allemagne (Université de Stuttgart), la République tchèque (Institut de physique de Prague), et Japon (Université de Tokyo). Les résultats de l'étude ont été rapportés dans Communication Nature .
"Nous recherchons de nouvelles phases de réseau dipolaire électrique, je. e. un ensemble de dipôles électriques ponctuels en interaction, " a expliqué Mikhaïl Belyanchikov, l'un des initiateurs de l'étude et chercheur junior au laboratoire MIPT de spectroscopie térahertz. "Un grand nombre de phases dipolaires magnétiques différentes ont été découvertes, mais la recherche de phases matérielles liées non pas aux dipôles magnétiques mais plutôt aux dipôles électriques ponctuels en est encore à ses débuts. De plus, les réseaux dipolaires électriques sont un type de ferroélectrique qui peut avoir des applications microélectroniques prometteuses. »
Cristal de cordiérite. Crédits :Depositphotos
On sait que réaliser expérimentalement un réseau de dipôles électriques ponctuels est une tâche difficile. Habituellement, les physiciens utilisent ce qu'on appelle le réseau optique interférométrique, une structure périodique de champs créée à la suite de l'interférence des faisceaux laser. Les atomes ultrafroids des matériaux à étudier sont placés dans les points du réseau.
Mais les chercheurs du laboratoire MIPT de spectroscopie térahertz ont trouvé un moyen plus efficace. Ils placent des molécules d'eau séparées qui possèdent un moment dipolaire électrique assez élevé dans une matrice dite diélectrique, dans ce cas, un réseau cristallin de zéolite avec des vides nanométriques périodiquement répartis formés par des ions de réseau. On obtient alors un échantillon facilement manipulable (un cristal) avec des molécules d'eau pratiquement libres piégées (pendant la croissance cristalline) dans ces vides - l'eau dite nanoconfinée. Cet échantillon peut être étudié dans une large gamme de températures dont la température ambiante et dans différents environnements (champs électriques, pression, etc.).
Le résultat clé de l'étude a cependant été obtenu à une température plutôt basse de 3 K (–270 °C). Le réseau dipolaire électrique étudié des molécules d'eau polaires était basé sur un cristal de cordiérite, un membre de la famille des zéolites. Les chercheurs ont observé une transition de phase ferroélectrique ordre-désordre dans un réseau moléculaire d'eau nanoconfiné tridimensionnel à la température de 3 K.
Chiffre. Illustration schématique de l'état ordonné du réseau dipolaire électrique des molécules d'eau polaires à l'intérieur d'un cristal de cordiérite. Les moments dipolaires sont indiqués par des flèches. L'état ordonné se manifeste par la coexistence d'ordres ferroélectrique (plans ab rouges) et antiferroélectriques (plan bc bleu). Les plans ferroélectriques alternent de manière antiferroélectrique le long de l'axe c du cristal. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation des chercheurs
"Précédemment, nous avions étudié des molécules d'eau nanoconfinées similaires situées au sein d'une matrice de béryl, un cristal qui possède la structure très similaire à celle de la cordiérite. Nous n'avons pas enregistré l'ordre des dipôles moléculaires dans ce système même à 0,3 K, la température la plus basse que nous avons pu atteindre. La raison peut être la symétrie relativement élevée (hexagonale) du réseau cristallin de béryl et les phénomènes de mécanique quantique qui régissent les propriétés de l'eau à des températures aussi basses, " a noté Mikhail Belyanchikov. " En même temps, c'est la symétrie cristalline un peu plus faible (orthorhombique) de la cordiérite qui a déclenché la transition de phase dans un ensemble de molécules d'eau hébergées par son réseau cristallin."
Analyser et interpréter les résultats expérimentaux, les chercheurs ont utilisé la modélisation informatique. La simulation Monte Carlo et d'autres méthodes mathématiques ont été utilisées pour la résolution numérique de l'équation de Schrödinger multiparticulaire extrêmement complexe décrivant le système dipolaire électrique des molécules d'eau polaires en interaction.
La modélisation informatique a permis de visualiser la phase ordonnée à l'échelle microscopique, ou plutôt nanoscopique. Et encore une fois, les scientifiques ont été pris par surprise car cette phase s'est avérée assez inhabituelle. Elle se manifeste par la coexistence d'ordres ferroélectriques et antiferroélectriques des moments dipolaires de l'eau. Il peut être visualisé comme un empilement de feuillets alternés de dipôles co-alignés où les dipôles de deux feuillets adjacents sont orientés de manière antiparallèle (voir la fig.). Les simulations ont également montré que la structure des dipôles d'eau ordonnés (flèches sur la figure) peut être encore plus complexe. Cela se produit lorsque les molécules d'eau ne remplissent que certaines des cavités du cristal. Dans ce cas, les flèches dipolaires dans le groupe de feuilles dans des domaines séparés.
« Non seulement l'étude des molécules d'eau nanoconfinées a une importance fondamentale pour le domaine des réseaux électro-dipolaires, mais elle contribue également à une meilleure compréhension des phénomènes naturels et peut même potentiellement permettre la construction de dispositifs nanoélectroniques biocompatibles. Il s'agit d'un domaine en développement rapide qui promet de nouvelles et une électronique extrêmement performante à base de matériaux biologiques, " commente Boris Gorshunov, qui dirige le laboratoire MIPT de spectroscopie térahertz.
