Международная команда ученых провела теоретическое исследование низкотемпературного льда и показала, что наличие в нем примесей способствует ускорению поляризации и возникновению сегнетоэлектричества, что затруднено в чистом льду. Статья опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ученых уже давно интересует странная неупорядоченная структура низкотемпературного льда. Теперь итальянские и аргентинские ученые провели теоретические исследования и описали фундаментальное свойство низкотемпературного льда, сегнетоэлектричность — возникновение в кристалле спонтанной поляризации в отсутствие внешнего электрического поля. Это свойство может проявляться во время агломерации частиц льда в межзвездном пространстве.

В идеально упорядоченном куске льда дипольные моменты водорода каждой молекулы воды должны указывать в одном направлении. Вместо этого молекулы водорода во льду даже при очень низкой температуре ориентированы хаотично. Это связано с тем, что каждый атом кислорода постоянно может быть связан только с двумя протонами водорода, чтобы существовала молекула H₂O. Сложная кинетика, создаваемая этим ограничением, приводит к тому, что процесс ориентации диполей становится бесконечно медленным.

Известно, что примеси, такие как молекула гидроксида калия (KOH), заменяющая одну молекулу H₂O, способствуют зарождению упорядоченности и лед хотя частично и медленно, но все же становится сегнетоэлектрическим при очень низкой температуре. Авторы статьи разработали теоретическую модель, объясняющую процессы, происходящие как в чистом, там и в содержащем примеси льду.

«Согласно нашей модели, как только примесь вводится в начальное неравновесное низкотемпературное и неупорядоченное состояние, она начинает действовать, как затравка для упорядоченной фазы, — говорят ученые. — Однако не все молекулы начинают ориентировать свои дипольные моменты, а только те, которые находятся позади или спереди от примеси».

Этот крайне нетипичный процесс объясняет медленное и неполное возникновение сегнетоэлектричества во льду при низких температурах. Хотя исследование пока ограничено объемным льдом, этот же механизм, вероятно, будет распространяться на поверхность льда, где при низких температурах могут зарождаться цепочки упорядоченных протонов. Это объясняет существование небольшого количества локальных сегнетоэлектрических элементов, которое упоминается как возможный механизм агломерации частиц льда в межзвездном пространстве.