Ordenamiento dieléctrico de moléculas de agua dispuestas en una red dipolar

 

A lo largo de las últimas décadas se ha investigado si las moléculas de agua, con su fuerte momento dipolar de p₀ = 1.85 Debye, se pueden condensar adoptando un orden ferroeléctrico o antiferroeléctrico. Sin embargo, los enlaces de hidrógeno intermoleculares interfieren con el orden (anti) ferroeléctrico de largo alcance del agua. 

 

Si las moléculas de H₂O se confinan en celdas nanométricas de un cristal dieléctrico, su ubicación en canales a una distancia de ~ 5 Å con una separación entre canales de ~ 10 Å evita la formación de enlaces de hidrógeno, mientras que las interacciones eléctricas dipolo-dipolo siguen siendo efectivas.

 

En este trabajo, un equipo internacional de investigadores reporta estudios experimentales y cálculos de primeros principios en cristales de cordierita hidratados, y concluyen que las moléculas de H₂O forman una red dipolar altamente ordenada a bajas temperaturas. Cuando las moléculas de agua son retenidas en canales anisotrópicos a nanoescala formados por la red iónica del cristal, experimentan una transición de fase ferroeléctrica del tipo de orden - desorden cerca de T₀ = 3 K.  Sus conclusiones se basan en la dependencia de la temperatura de la constante dieléctrica, capacidad calorífica, corriente piroeléctrica y polarización. Los cálculos apuntan a que hay una interacción antiferroeléctrica de los dipolos moleculares de H₂O a lo largo del eje "c" del nanocanal, y una interacción ferroeléctrica en los planos "ab". Como resultado, la fase de baja temperatura se caracteriza por dominios ferroeléctricos planos,  con ordenamiento antiferro a lo largo de la dirección “c” de los nanocanales. 

 

Esta transición de fase polar tan esperada en un sistema de moléculas dipolares de agua acopladas a largo alcance, demuestra que los cristales dieléctricos con moléculas de agua confinadas en el interior de su enrejado cristalino proporcionan una plataforma para estudios de diferentes fases y transiciones de fase como contraparte eléctrica de los sistemas de momentos magnéticos.

 

Los resultados fueron publicados en Nature Communications.