Ученые Сколтеха вместе с коллегами из Российского квантового центра выявили значительную роль ядерных квантовых эффектов в поляризации спирта во внешнем электрическом поле. Исследования позволяют по-новому взглянуть на свойства жидких диэлектриков.

Результаты опубликованы в The Journal of Physical Chemistry. 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, кандидат физико-математических наук 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 ведущий автор исследования, кандидат физико-математических наук Василий Артёмов.

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.