Трое учёных из Технологического института Джорджии (США) смоделировали кристаллизацию небольшой капли диэлектрической жидкости во внешнем электрическом поле.

Американцы изначально планировали исследовать явление, в 1964 году отмеченное Джеффри Инграмом Тейлором, который изучал воздействие молний на дождевые капли. Экспериментируя, знаменитый английский физик выяснил, что капли воды, имеющие сферическую форму, вытягиваются при включении внешнего поля.

В новой теоретической работе воду сменил формамид HCONH₂ — диэлектрическая жидкость, амид муравьиной кислоты. Моделируя методом молекулярной динамики влияние электрического поля на 10-нанометровую каплю формамида, авторы обнаружили, что напряжённость ниже 0,5 В/нм даёт лишь незначительное удлинение капли. Однако дальнейшее повышение напряжённости приводило к образованию иглоподобной капли, бóльшая ось которой, ориентированная по полю, по длине примерно в 12 раз превосходила меньшую.

Это изменение формы сопровождалось переориентацией молекулярных диполей по полю; другими словами, вытянутые капли переходили в индуцированное полем сегнетоэлектрическое состояние.

С последующим усилением поля переориентация становилась всё более выраженной, и в тот момент, когда напряжённость достигла 1,4375 В/нм, учёные зарегистрировали фазовый переход — образование монокристалла формамида.

Рис. 1. Расчётное изменение формы капли формамида и её кристаллизация. По вертикальной оси откладывается соотношение большей и меньшей осей капли, по горизонтальной — напряжённость поля. (Иллюстрация авторов работы).

«Удлинение капель и кристаллизация происходят потому, что формамид, подобно воде и многим другим веществам, характеризуется относительно высоким электрическим дипольным моментом», — поясняет один из участников исследования Узи Лэндмен (Uzi Landman). При кристаллизации диполи размещаются оптимальным образом, снижая свободную энергию системы и делая упорядоченное расположение молекул выгодным.

Когда напряжённость поля уменьшалась, кристаллическая «игла» возвращалась в жидкое состояние, а затем принимала исходную сферическую форму. В обоих переходах, отметим, наблюдался гистерезис.

Полная версия отчёта будет опубликована в издании Journal of Physical Chemistry C.