Сегнетоэлектрическое упорядочение молекул воды, расположенных в нанопорах минералов

Институт автоматики и электрометрии СО РАН

Автор: В. А. Абалмасов

Сегнетоэлектрики – это вещества, обладающие ниже некоторой температуры спонтанной электрической поляризацией, переключаемой электрическим полем. В окрестности этой температуры диэлектрическая проницаемость имеет очень большие значения. Эти свойства обуславливают практическое применение сегнетоэлектриков в конденсаторах, сенсорах, ячейках памяти и т. д.

Молекулы воды обладают электрическим дипольным моментом. Однако сегнетоэлектрические свойства некоторых низкотемпературных фаз льда наблюдались лишь в единичных экспериментах и в специальных условиях. В то же время, молекулы воды расположенные в нанопорах некоторых минералов, ввиду достаточно хорошо контролируемой степени заполнения этих пор, представляют собой уникальную систему для исследования многих особенностей сегнетоэлектрических фазовых переходов.

 

В кордиерите, поры размером 5.02–5.84 Å, в каждой из которых может находиться только одна молекула воды, образуют трёхмерную треугольную решётку с расстоянием между ними в плоскости ab 9.74–9.90 Å и вдоль оси с – 4.66 Å (Рис. 1). Дипольный момент каждой молекулы воды лежит в плоскости ab. Ранее предполагалось, что в кордиерите он может быть направлен только вдоль оси b. Однако наличие диэлектрического отклика вдоль оси a (Рис. 2) заставило нас предположить наличие четырёх возможных направлений дипольного момента.

С помощью метода Монте Карло, ранее опробованного нами на диэлектриках с водородными связями [1], мы получили термодинамически равновесные конфигурации диполей при разных температурах (Рис. 3) и зависимость термодинамических величин от температуры. На основании этих данных мы делаем заключение:

1. Особенности в диэлектрической проницаемости (Рис. 4) и теплоёмкости при температуре около 5 и 20-30 K связаны с упорядочением проекций диполей вдоль оси a и b соответственно. При этом угол между направлением диполя и осью b примерно равен 20 градусам.
2. Несмотря на то, что (анти)сегнетоэлектрический параметр порядка равен нулю, ниже некоторой температуры отличен от нуля стекольный параметр порядка и, согласно результатам моделирования, возрастают размеры кластеров сонаправленных диполей (Рис. 5). Это может указывать на переход системы молекул воды в кордиерите с коэффициентом заполнения пор 0.75 в состояние дипольного стекла с элементами ближнего порядка при низкой температуре.

 

Публикации:

1. V. A. Abalmassov. “Monte Carlo studies of the ferroelectric phase transition in KDP” // Ferroelectrics, 538(1):1–5, jan 2019. doi:10.1080/00150193.2019.1569978.
2. M. A. Belyanchikov, M. Savinov, Z. V. Bedran, P. Bednyakov, P. Proschek, J. Prokleska, V. A. Abalmasov, J. Petzelt, E. S. Zhukova, V. G. Thomas, A. Dudka, A. Zhugayevych, A. S. Prokhorov, V. B. Anzin, R. K. Kremer, J. K. H. Fischer, P. Lunkenheimer, A. Loidl, E. Uykur, M. Dressel, and B. Gorshunov. “Dielectric ordering of water molecules arranged in a dipolar lattice” // Nature Communications, 11(1):3927, aug 2020. doi:10.1038/s41467-020-17832-y.