Ученые Сколтеха вместе с коллегами из Российского квантового центра выявили значительную роль ядерных квантовых эффектов в поляризации спирта во внешнем электрическом поле.
Российские ученые доказали, что значительную роль во внутренней физике стабилизации спиртов играют квантовые эффекты
Такие молекулярные жидкости, как вода или спирты, являются полярными. Полярность возникает из-за механизма разделения зарядов, вопрос о микроскопической природе которого все еще остается открытым. Фактически основное описание поляризации опирается на концепцию столетней давности, в которой диэлектрическая поляризация связывается с дипольным моментом, образованным гидроксильной функциональной группой (-OH). Высокая поляризуемость спиртов и соответствующая высокая диэлектрическая проницаемость объясняется ориентацией молекулярных диполей, однако несоответствие между измеренными и расчетными диэлектрическими постоянными показывает, что другие механизмы, которые до сих пор не рассматривались, могут играть важную роль в процессе поляризации.
«Мы экспериментально исследовали и сравнили диэлектрические характеристики серии одноатомных спиртов с разной длиной молекулярной цепи и обнаружили удивительные сходства, которые нельзя было объяснить обычным механизмом вращения молекулярных диполей», – рассказывает научный сотрудник Сколтеха, к.ф.-м.н. Александр Рыжов, ответственный за экспериментальную часть исследования. «Вопреки расхожему мнению, мы обнаружили, что основной механизм диэлектрической поляризации в спиртах не классический, а имеет квантово-механическую природу: туннелирование избыточных протонов и последующее образование межмолекулярных диполей с протонными дырками. Эти диполи и определяют диэлектрический спектр спиртов от постоянного тока до переменного тока с высокими частотами (ТГц), независимо от геометрии молекулы и ее ориентации», — добавил старший преподаватель Хенни Уэрдан из Центра энергетических технологий Сколтеха.
«Наши исследования позволяют по-новому взглянуть на свойства жидких диэлектриков. Основное предположение нашей модели относится к новому пониманию явлений диэлектрической поляризации в полярных жидкостях с помощью ядерных квантовых эффектов», — заключил к.ф.-м.н. Василий Артёмов, ведущий автор исследования. Результаты опубликованы в The Journal of Physical Chemistry.
Авторы выражают благодарность программе Global Campus, которая позволила пригласить в Сколтех Эмму Карлсен, бакалавра химии из Университета Бригама Янга, США, которая участвовала в экспериментах во время ее двухмесячного пребывания в Сколтехе.
