Visi gerai žino, kad vandeniui šąlant susidaro ledas. Mažiau žinomas faktas, kad egzistuoja ne vienos, bet kelių skirtingų rūšių ledas, priklausomai nuo to kaip ledo kristalai yra išsidėstę. Naujame eksperimente chemikų grupė sukūrė metodą, kaip sintetinti feroelektrinį ledą, kuris kristalizuojasi tokiu būdu, kad visi ryšiai išsidėsto viena kryptimi ir susikuria didelis elektrinis laukas. Mokslininkų grupė iš Kinijos ir JAV atspausdino savo darbą „Proceedings of the National Academy of Sciences“ žurnale.
Kiekviena vandens molekulė pasižymi mažyčiu elektriniu lauku. Tačiau, kadangi vandens molekulės šaldamos yra atsitiktinai orientuotos ir elektriniai laukai bei ryšiai yra nukreipti įvairiomis kryptimis, bendras elektrinis laukas yra kompensuojamas. Priešingas efektas stebimas feroelektriniame lede, kuriame prie pakankamai žemų temperatūrų visi ryšiai yra nukreipti viena kryptimi. Toks ledas turi pilną orientuotą poliarizaciją, kuri sukuria elektrinį lauką.
Feroelektrinis ledas yra labai retas reiškinys. Mokslininkai tiria ar toks ledas egzistuoja gamtoje. Kai kurie netgi iškėlė hipotezę, kad feroelektrinis ledas gali egzistuoti Urane, Neptūne ar Plutane. Tridimensinio gryno feroelektrinio ledo sukūrimas laboratorijos sąlygomis atrodo neįtikimas dalykas, kadangi tai apytiksliais įvertinimais užimtų apie šimtą tūkstančių metų, jei nebūtų naudojamas katalizatorius. Iki šiol laboratorijoje yra pavykę sukurti mažiau nei trijų dimensijų feroelektrinį ledą, tačiau jis kuris būna įvairiose fazėse.
Paveiksliuko viršutinėje dalyje pavaizduotos vandens molekulės nanokanale prie trijų šimtų kelvinų temperatūros. Vidurinėje ir apatinėje paveiksliuko dalyse parodytas vandens molekulių išsidėstymas, kai išorinis elektrinis laukas nukreiptas į kairę arba į dešinę pusę. Raudoni rutuliukai žymi deguonies, o žali rutuliukai – vandenilio atomus. Oranžinės linijos rodo vandeniliškus ryšius.
Naujame eksperimente mokslininkams pavyko susintetinti vienmatį ir vienos fazės (homogenišką) feroelektrinį ledą šaldant vienmatį vandens „siūlą“. Tyrėjų žiniomis, tai yra pirmas atvejis, kai toks ledas gautas laboratorijos sąlygomis.
Tam, kad sukurtų vienmatį vandens siūlą, mokslininkai pagamino labai plonus nanokanalus, į kuriuos telpa tik devyniasdešimt šešios vandens molekulės viename kristalinės gardelės elemente. Mažindami temperatūrą nuo pradinės 350 kelvinų (77 °C) jie pastebėjo, kad vandens siūlas patiria fazinį virsmą žemiau 277 kelvinų (4 °C) pereidamas iš vienmačio skysčio į vienmatį ledą. Gautas ledas pasižymi labai didele dielektrine anomalija prie virsmo temperatūros. Tokia pati dielektrinė anomalija išlieka ir atšaldžius ledą iki 175 kelvinų (-98 °C).
„Mes žinome, kad vandens virtimo ledu temperatūra skiriasi nuo normalaus vandens sušalimo temperatūros, nes vanduo eksperimente yra patalpinamas į nanokanalus ir nėra normaliose sąlygose, - sakė Xiao Cheng Zeng, vienas iš grupės mokslininkų iš Nebrasko universiteto. - Atviru klausimu lieka nesuprantamas dalykas, kodėl vienmačio vandens kristalizavimo temperatūra yra aukštesnė nei įprasto ledo“.
Kaip mokslininkas paaiškino, vandeniliški ryšiai tarp vandens molekulių vandens siūle ir nanokanalo sienelių vaidina svarbų vaidmenį feroelektriniame lede. Kol vandeniliški ryšiai tarp vandens molekulių ir nanokanalo nenutraukiami, nesudarę ryšių vandenilio atomai pasisuka priešinga kryptimi elektrinio lauko krypčiai. Vadinasi, feroelektrinio ledo poliariškumas gali būti pakeistas naudojant priešingos krypties elektrinį lauką, kas yra nestebima vandenyje ir lede gamtos sąlygomis.
Iš principo viendimensinio vienos fazės feroelektrinio ledo gavimo idėja naudojant vandenį, patalpintą į nanokanalus, gali būti pritaikyta sintetinant kitas feroelektrines medžiagas. Naujasis metodas taip pat gali leisti geriau suprasti unikalias feroelektrinio ledo savybes, kurios gali būti pritaikytos biologijos ir nano moksluose. Eksperimentą atlikę mokslininkai mano, kad feroelektrinis ledas gali būti panaudotas elektriniuose nano įrenginiuose.
„Tyrimas rodo, kad šąlantis ledas gali būti stipriai veikiamas aplinkos bei vandens ir paviršiaus sąveikos“, - sakė Zeng. - Gautos žinios tiriant feroelektrinį ledą padės mokslininkams kontroliuoti vandens savybes kuriant įvairias talpas vandeniui“.
