Удивительное вещество с уникальными свойствами, лед, интересовал людей с незапамятных времен. В отличие от большинства других материалов, лед при очень низкой температуре не так упорядочен, как мог бы. Сотрудничество между Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA), Международным центром теоретической физики Абдуса Салама (ICTP), Институтом физики Росарио (IFIR-UNR) при поддержке Istituto Officina dei Materiali итальянского национального Исследовательский совет (CNR-IOM) провел новые теоретические исследования причин, почему это происходит, и способов восстановления некоторых недостающих порядков.
В этом упорядоченном состоянии группа ученых описала относительно неясное, но фундаментальное свойство очень низкотемпературного льда — сегнетоэлектричество. Результаты, опубликованные в PNAS , вероятно, распространятся на ледяные поверхности, что может иметь отношение к агломерации частиц льда в межзвездном пространстве.
В идеально упорядоченном куске льда атомы водорода каждой молекулы воды должны указывать в одном направлении, как солдаты во взводе, смотрящие впереди них. Если бы это было так, лед имел бы макроскопическую электрическую поляризацию — он был бы сегнетоэлектриком. Вместо этого молекулы воды во льду, даже при очень низкой температуре, ведут себя как непослушные солдаты, и все смотрят в разные стороны.
Это аномальное поведение, обнаруженное экспериментально в 1930-х годах, было немедленно и классно объяснено Линусом Полингом: отсутствие дисциплины является следствием ограничения "правила льда" — каждый атом кислорода должен в любой момент иметь два и только два протона, чтобы сделать это. H2O. Сложная кинетика, создаваемая этим ограничением, приводит к тому, что процесс приказов становится бесконечно медленным, как во взводе, где у каждого солдата было четыре соседа, и он должен был держать две руки на плечах двух из них.
Если бы не примеси или дефекты, которые, как оказалось, сыграли важную роль, сегодня никто бы не знал, является ли протонный порядок и сегнетоэлектричество массивного кристаллического льда реальной возможностью или плодом воображения, поскольку ни эксперименты, ни моделирование не могли преодолеть кинетическое замедление, вызванное ледовым правилом.
Известно, что примеси, такие как один KOH, заменяющий H2O, на самом деле позволяют процессу упорядочения зародиться, а лед превращается в упорядоченный и сегнетоэлектрический при очень низкой температуре, хотя только частично и медленно. И снова подозревали, что за медлительностью этого процесса стоит «ледяное правило», но точно не известно, как это работает.
Вместе с Хорхе Ласаве и Серхио Коваль из IFIR-UNR в Аргентине, оба ассоциированными членами ICTP, Алессандро Лайо и Эрио Тосатти разработали теоретическую модель и стратегию для объяснения поведения как чистого, так и легированного льда.
Согласно этой модели, объясняют ученые, как только примесь вводится в начальное неравновесное низкотемпературное неупорядоченное состояние, она действует как затравка для упорядоченной фазы, но своеобразным образом: не все« солдаты. вокруг нечистоты начинают смотреть в правильном направлении, но только те, кто впереди или позади нечистоты. Таким образом, в конце процесса только группа солдат во взводе получит приказ ». Этот крайне нетипичный процесс обладает многими характеристиками, которые могут объяснить медленное и неполное начало сегнетоэлектрического порядка в реальном легированном льду.
Хотя исследование пока ограничено объемным льдом, — заключают ученые, — выделенный механизм, вероятно, будет распространяться на поверхность льда, где цепочки упорядоченных протонов могут зарождаться при низких температурах, что объясняет давно известное небольшое количество локальных сегнетоэлектрических элементов. поляризация — явление, которое также упоминается как возможное связанное с агломерацией частиц льда в межзвездном пространстве.
