Химики нашли квадратные водные нанотрубки внутри круглых углеродных
Результаты компьютерного моделирования показали, что вода внутри углеродных и борнитридных нанотрубкок диаметром около одного нанометра может формировать упорядоченную структуру, тоже с цилиндрической геометрией. Каждое сечение этих водных нанотрубок имеет форму квадрата и состоит из четырех молекул воды. Такие цепочки можно рассматривать как двумерный лед и использовать их для превращения углеродных нанотрубок в своеобразные наноконденсаторы, пишут ученые в Langmuir.
Углеродные нанотрубки представляют собой свернутые в цилиндр листы графена — гексагональные листы из атомов углерода толщиной в один атом. Диаметр этих цилиндров обычно очень маленький — от нескольких ангстрем до нескольких нанометров. Поэтому, если поместить углеродную нанотрубку в воду, то какое-то количество молекул воды туда, конечно, влезет, но будет их там совсем немного — всего несколько штук в каждом сечении цилиндра. Из-за того, что этих молекул там мало, они выстраиваются в упорядоченную структуру, в которой атомы связаны между собой ковалентными или водородными связями. Структура молекул воды определяет и свойства нанотрубки в растворе: например, насколько хорошо она будет пропускать через себя те или иные ионы — протоны или более крупные катионы металлов. А от этого напрямую зависит и возможность использовать нанотрубки для создания тех или иных наноматериалов.
Известно, что структура, в которую выстраиваются молекулы воды внутри нанотрубки, определяется геометрией системы и теми силами, которые действуют на них со стороны атомов стенок, и таким образом зависит от их радиуса, но детали этой зависимости до сегодняшнего дня оставались неизученными. Поскольку с достаточной точностью сделать это экспериментально практически невозможно, группа химиков из США и Ирана под руководством Рузбе Шахсавари (Rouzbeh Shahsavari) из Университета Райса использовала для такого исследования компьютерное моделирование, в котором описала исходя из первых принципов химическую и электронную структуру воды внутри нанотрубок диаметром от 0,8 до 1,2 нанометра.
Оказалось, что в зависимости от радиуса углеродной нанотрубки молекулы воды действительно могут формировать внутри нее различные структуры. При этом если диаметр углеродных нанотрубок не слишком велик (как раз порядка одного нанометра), то молекулы воды внутри них тоже собираются в цилиндр и образуют еще одну нанотрубку, водную. В отличие от внешней углеродной структуры, трубка из воды не круглая в сечении, а квадратная, потому что состоит из четырех молекул. К повышению устойчивости приводит синхронизация вандерваальсового давления со стороны и энергией колебательных фононов в водной структуре.
Аналогичный эффект ученые обнаружили и в нанотрубках, образованных атомами азота и бора. Нитрид бора, как и углерод, может формировать гексагональные решетки, которые тоже могут скручиваться в нанотрубки. По своей геометрии эти трубки очень похожи на углеродные, поэтому внутри них также могут возникать квадратные в сечении структуры из молекул воды. При этом наиболее устойчивые водные цепочки образуются именно внутри нанотрубки из нитрида бора, диаметр которой составляет 1,05 нанометра.
По словам ученых, такую водную структуру можно рассматривать как своего рода двумерный лед, который образуется вне зависимости от температуры, поэтому использовать его можно, например, чтобы запасать энергию. Таким образом, меняя диаметр нанотрубки, можно делать из нее наноканал для воды или наноконденсатор. Авторы работы отмечают, что использовать такие системы можно, например, при создании элементов молекулярных машин, которые позволяют дозированно подавать в нужную точку молекулы воды, действуя как своего рода молекулярный шприц.
Сейчас следить за изменением молекулярной структуры воды можно не только с помощью компьютерного моделирования, но и благодаря прямым экспериментальным измерениям. Например, недавно физики из Японии и США разработали подобный метод, основанный на неупругом рентгеновском рассеянии. А чтобы связать локальную структуру воды с ее макроскопическими свойствами, британские физики создали модель, в которой молекулы жидкости описываются как квантовые осцилляторы, собранные в разветвленную сеть с помощью системы водородных связей.
Александр Дубов
Ее до сих пор не удавалось зарегистрировать из-за акустичности, электро-нейтральности и отсутствия взаимодействия со светом
Физики экспериментально обнаружили в рутенате стронция Sr2RuO4 особый вид плазмона — демон Пайнса. Существование этой частицы было предсказано 67 лет назад, но из-за акустичности, электро-нейтральности и из-за отсутствия взаимодействия со светом ее до сих пор не удавалось зарегистрировать. Чтобы обнаружить демона, ученые применили метод спектроскопии характеристических потерь энергии электронов с разрешением по импульсу. Статья опубликована в журнале Nature. В 1952 году американские физики Дэвид Пайнс и Дэвид Бом описали коллективное поведение электронного газа в плазме, которое можно представить в виде квазичастицы, которую назвали плазмоном. Некоторые виды плазмонов уже научились регистрировать. В 1956 году Пайнс предположил, что в металлах могут существовать особые плазмоны, которые возникают при колебании электронов из разных зон в противофазе, что приводит к модуляции заселенности этих зон. Такие плазмоны назвали демонами: они не обладают ни массой, ни электрическим зарядом, да и со светом не взаимодействуют, — поэтому их крайне сложно зарегистрировать обычными методами. Группа физиков под руководством Петра Аббамонте (Peter Abbamonte), профессора Университета Иллинойса, изучала рутенат стронция Sr2RuO4. Этот металл обладает тремя вложенными зонами, пересекающими энергию Ферми, и поэтому может быть кандидатом на появление в нем демона. Ученые использовали метод электронной спектроскопии потерь энергии электронов с высоким разрешением по импульсу в режиме отражения. Этот метод позволяет измерять как поверхностные, так и объемные возбуждения в металле при ненулевой передаче импульса q, где сигнатура демона ожидалась наиболее четкой. Спектры потерь энергии электронов при большой передаче энергии и больших переданных импульсах — более 0,28 единиц обратной решетки — демонстрируют бесхарактерный энергонезависимый континуум. При малых переданных импульсах — q менее 0,16 единиц обратной решетки — ученые обнаружили широкую плазмонную особенность с максимумом в районе 1,2 электронвольта. Ученые обнаружили, что в низкоэнергетическом режиме, при q менее 0,08 единицы обратной решетки, метод выявляет акустическую моду. Дисперсия моды оказалась линейной в большом диапазоне импульсов, с групповой скоростью примерно в 100 раз больше скорости акустических фононов, которые распространяются со скоростью звука, но на три порядка меньше, чем для поверхностного плазмона, распространяющегося со скоростью, близкой к скорости света. Однако скорость моды находится в пределах 10 процентов от предсказанной расчетами скорости для демона. Как отмечают ученые, это возбуждение явно электронное и это как раз и есть демон, предсказанный Пайнсом 67 лет назад. Наблюдение демона стало возможным, благодаря высокому разрешению в миллиэлектронвольт в используемом методе. Однако для дальнейшего изучения демонов ученые предлагают повысить точность, используя высокоэнергетические электроны в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе с высоким разрешением, работающем в расфокусированной конфигурации. Физики отмечают, что требуется новая теория демонов, которая точнее опишет полученные экспериментальные данные. Эти квазичастицы могут быть ответственны за возникновение сверхпроводимости и играть важную роль в низкоэнергетической физике многих многозонных металлах. Изучение демонов и других видов плазмонов важно для описания коллективного поведения электронов в разных веществах. Например, недавно мы писали как физикам удалось увидеть часть плазмонной матрицы плотности.