Feroelektrický fázový přechod v molekulách vody lokalizovaných v minerálu cordieritu

Perex

Objevili jsme, že vodíkové vazby se eliminují a Coulombické interakce dominují v molekulách vody lokalizovaných do nanokanálků v minerálu kordierit. Jejich dipólový moment je orientovaný kolmo na osu kanálku c a naše dielektrická spektroskopie odhalila jejich uspořádání při ~3 K. Kritická dielektrická relaxace vyvolávající toto uspořádání je polarizovaná podél osy a a leží v radiofrekvenčním oboru. Měření feroelektrické spontánní polarizace určilo při 0.3 K saturovanou hodnotu ~3 nC/cm2.

Text

Molekuly vody lokalizované ve strukturních nano-kanálcích krystalů představují možnost jak eliminovat vodíkové vazby dominující mezi molekulami vody na vzdálenostech do ~2 Å, které zabraňují uspořádání jejich dipólových momentů. Na větších vzálenostech 1-10 nm se pak uplatňují coulombovské interakce, které mohou vést k jejich uspořádání. Navázali jsme na naše předchozí studium minerálu berylu, kde jsme při ochlazení detekovali tendence k feroelektrickému uspořádání, tzv. incipientní feroelektrické chování. Minerál cordierit (Mg,Fe)2Al4Si5O18 obsahuje též strukturní kanálky obdobné těm v berylu, v nichž jsou řetízky molekul vody ideálně přizpůsobené ke studiu tohoto uspořádání (obr. 1).

Krystalová struktura cordieritu
Popis
Obr. 1. Krystalová struktura cordieritu. Studovaná voda byla lokalizována ve volných kanálcích podél osy c.

Krystalová struktura je ortorombická, kanálky ve směru osy c jsou od sebe 9,9 Å vzdálené a molekuly vody v kanálcích ve směru c jsou od sebe 4,7 Å. Jejich dipólový moment je kolmo k ose kanálků a naše studium pomocí dielektrické spektroskopie ukázalo jejich uspořádání při teplotě ~3 K. Kritická relaxace vedoucí k tomuto uspořádání je polarizovaná ve směru osy a a leží v radiofrekvenční oblasti (obr. 2). Měření spontánní polarizace dává nasycenou hodnotu ~3 nC/cm2 při 0,3 K. Z výpočtů molekulární dynamikou vychází feroelektrické uspořádání v rovině kolmé na kanálky a antiferoelektrické uspořádání podél kanálků. 

Feroelektrický fázový přechod vody v cordieritu
Popis
Obr. 2. Feroelektrický fázový přechod vody v cordieritu je vyvolaný kritickou dielektrickou relaxací. νp značí frekvence maxim ve spektrech dielektrických ztrát a τ označuje relaxační čas dielektrické relaxace.

Kontaktní osoba: Jan Petzelt