Низкочастотная импедансная спектроскопия полимеров и кристаллов с сеткой водородных связей. Квантовые коллективные возбуждения ядер в молекулах
О.Д. Новик1, Н.Д. Гаврилова1, О.В. Малышкина2
1 ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»
2 ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.239
Оригинальная статья
Аннотация: В работе представлены результаты исследований температурно-частотного поведения диэлектрической проницаемости ε, проводимости σ, времени релаксации τμ, токов термодеполяризации j и пиротока γ в гидрофильных полимерах и кристаллах с сеткой водородных связей OH…O в диапазонах 0,01–107 Гц и 20–140°С. Анализ полученных данных выявил температурные аномалии ε(T), σ(T), τμ(T), j(T), и γ(T) вблизи «пороговых» точек 20, 36, 50, 65 и 85°С, где происходит разрушение кластеров воды (а при температуре выше 100°С и самой молекулы воды) и, тем самым, освобождение глубоких ловушек, изменение состава носителей заряда (Н3O+, ОН– и др.) и их траекторий в объеме. Проводится аналогия между температурным поведением ε, σ, τμ, j и γ в «пороговых» точках, имеющих характерный одиночный резонансный пик, и дипольным резонансом фотопоглощения в кластерах металлов Ag, Mg и Sm, проявляющаяся в уширении резонанса, расщеплении одиночного пика и образовании однодоменного кристалла ATGS+Cr3+ (0,06 масс.% Cr). Мы также обсуждаем возможное возникновение коллективных ядерных возбуждений при облучении образца фотонами или возникновение внутреннего электрического поля смещения Edp при внезапном охлаждении или нагревании образца. Рассмотрено запутывание фотонов по поляризации.
Ключевые слова: гигантский дипольный резонанс, дискретные уровни энергии двухъямного потенциала, диэлектрическая проницаемость и проводимость, когерентные коллективные возбуждения ядер, расщепление резонансных максимумов ε, σ и времени релаксации проводимости τμ, спиновое поле вероятностей
- Новик Ольга Дмитриевна – студентка 6 курса, ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»
- Гаврилова Надежда Дмитриевна – д.ф.-м.н., ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»
- Малышкина Ольга Витальевна – д.ф.-м.н., профессор, профессор кафедры компьютерной безопасности и математических методов управления, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
Ссылка на статью:
Новик, О.Д. Низкочастотная импедансная спектроскопия полимеров и кристаллов с сеткой водородных связей. Квантовые коллективные возбуждения ядер в молекулах / О.Д. Новик, Н.Д. Гаврилова, О.В. Малышкина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2024. — Вып. 16. — С. 239-257. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.239.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Chaplin, M.F. Structure and properties of water in its various states / M.F. Chaplin // In: Encyclopedia of Water: Science, Technology, and Society; ed. by P.A. Maurice. – 2019. – 19 p. DOI: 10.1002/9781119300762.wsts0002.
2. Drechsel-Grau, C. Protons in concert / C. Drechsel-Grau, D. Marx // Nature Physics. – 2015. – V. 11. – I. 3. – P. 216-218. DOI: 10.1038/nphys3269.
3. Cantrell, W. Thin film water on muscovite mica / W. Cantrell, G.E. Ewing // The Journal of Physical Chemistry B. – 2001. – V. 105. – I. 23. – P. 5434-5439. DOI:10.1021/jp004305b.
4. Gavrilova, N.D. Thermally stimulated depolarization currents in TGS crystals with impurities and radiation defects under stepwise heating / N.D. Gavrilova, I.A. Malyshkina, O.D. Novik // Moscow University Physics Bulletin. – 2020. – V. 75. – I. 3. – P. 242-248. DOI: 10.3103/S0027134920030091.
5. Tiggesbäumker, J. Bound-free collective electron excitations in negatively charged silver clusters / J. Tiggesbäumker, L. Köller, K.-H. Meiwes-Broer // Chemical Physics Letters. – 1996. – V. 260. – I. 3-4. – P. 428-432. DOI: 10.1016/0009-2614(96)00950-5.
6. Varlamov, V.V. On the role of nucleons of different shells in the formation of the giant dipole resonance of the 24Mg nucleus / V.V. Varlamov, I.M. Ishkhanov, I.M. Kapitonov et al. // Soviet Journal of Nuclear Physics. –1979. – V. 30. – № 5. – P. 617-622.
7. Ishkhanov, B.S. Giant dipole resonance of atomic nuclei. Prediction, discovery, and research / B.S. Ishkhanov, I.M. Kapitonov // Physics-Uspekhi. – 2021. – V. 64. – I. 2. – P. 141-156. DOI: 10.3367/UFNe.2020.02.038725.
8. Migdal, A. Quadrupole and dipole γ-radiation of nuclei / A. Migdal // Journal of Physics Academy of Sciences of the USSR. – 1944. – V. 8. – I. 1-6. – P. 331-336.
9. Carlos, P. The giant dipole resonance in the transition region of the samarium isotopes / P. Carlos // Nuclear Physics A. – 1974. – V. 225. – I. 1. – P. 171-188. DOI: 10.1016/0375-9474(74)90373-X.
10. Jonscher, A.K. Dielectric relaxation in solids / A.K. Jonscher // Journal of Physics D: Applied Physics. – 1999. – V. 32. – I. 14. – P. R57-R70. DOI: 10.1088/0022-3727/32/14/201.
11. Novik, O.D. Dielectric ordering of water molecules in the dipole lattice of potassium hexacyanoferrate (II) trihydrate / O.D. Novik, I.A. Malyshkina, N.D. Gavrilova // Ferroelectrics. – 2022. – V. 600. – I. 1. – P. 124-136. DOI: 10.1080/00150193.2022.2115804.
12. Gavrilova, N.D. The role of water in the anomalies of pyro- and thermodepolarization properties of pyroactive polymer films at stepwise heating / N.D. Gavrilova, V.K. Novik, I.A. Malyshkina // Journal of Non-Crystalline Solids. – 2018. – V. 483. – P. 60-64. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2017.12.056.
13. Gavrilova, N.D. On the role of a weak hydrogen bond OH…O in the formation of the anomalous dielectric response of crystals and polymers near 40°C / N.D. Gavrilova, V.K. Novik // Moscow University Physics Bulletin. – 2011. – V. 66. – I. 3. – P. 260-266. DOI: 10.3103/S0027134911030076.
14. Gavrilova, N.D. Dielectric relaxation anomalies in polyacrylic acid and their relationship with «critical» points of water / N.D. Gavrilova, I.A. Malyshkina, E.E. Makhaeva et al. // Ferroelectrics. – 2016. – V. 504. – I. 1. – P. 3-14. DOI: 10.1080/00150193.2016.1238284.
15. Gavrilova, N.D. A special role of water in dielectrics of different structural organization / N.D. Gavrilova, I.A. Malyshkina, O.D. Novik // Ferroelectrics. – 2021. – V. 585. – I. 1. – P. 40-51. DOI: 10.1080/00150193.2021.1991219.
16. Gavrilova, N.D. The influence of changes in the structure of hydrogen bonds of water on the electrophysical properties of matrix–water systems in stepwise heating / N.D. Gavrilova, I.A. Malyshkina // Moscow University Physics Bulletin. – 2018. – V. 73. – I. 6. – P. 651-658. DOI: 10.3103/S0027134918060127.
17. Verkhovskaya, K.A. Low-frequency dielectric dispersion and pyroelectric effect inferroelectric vinylidene fluoride - trifluoroethylene copolymer in phase transitions / K.A. Verkhovskaya, N.D. Gavrilova, V.K. Novik et al. // Moscow University Physics Bulletin. – 1997. – V. 52. – I. 3. – P. 55-66.
18. Gavrilova, N.D. Dielectric response of polyampholytes with different structures / N.D. Gavrilova, E.E. Makhaeva, I.A. Malyshkina, A.R. Khokhlov // Polymer Science, Series B. – 2018. – V. 24. – I. 11-12. – P. 379-383.
19. Gavrilova, N.D. Hydrogen bond as a trigger of ferroelectric-like phase transition in lithium-thallium tartrate monohydrate / N.D. Gavrilova, I.A. Malyshkina, O.D. Novik // Ferroelectrics. – 2021. – V. 582. – I. 1. – P. 1-11. DOI: 10.1080/00150193.2021.1951029.
20. Gaur, M.S. Thermally stimulated current analysis in human blood / M.S. Gaur // Trends in Biomaterials and Artificial Organs. – 2007. – V. 21. – I. 1. – P. 8-13.
21. Shcherbachenko, L.A. Electret effect and electrotransport in disperse organic and inorganic systems/ L.A. Shcherbachenko, V.S. Borisov, N.T. Maksimova et al. // Technical Physics. – 2009. – V. 54. – I. 9. – P. 1372-1379. DOI: 10.1134/S1063784209090199.
22. Slater, J. Theory of the transition in KH2PO4 / J. Slater // The Journal of Chemical Physics. – 1941. – V. 9. – I. 1. – P. 16-33. DOI: 10.1063/1.1750821.
23. Belyanchikov, M.A. Dielectric ordering of water molecules arranged in a dipolar lattice / M.A. Belyanchikov, M. Savinov, Z.V. Bedran et al. // Nature Communications. – 2020. – V. 11. – I. 1. – Art. № 3927. – 9 p. DOI: 10.1038/s41467-020-17832-y.
24. Bednyakov, A.S. Formation of charged H3O+ and OH– fragments at consistent shifts of protons in water clusters / A.S. Bednyakov, Y.V. Novakovskaya // Russian Journal of Physical Chemistry A. – 2016. – V. 90. – I. 9. – P. 1813-1821. DOI: 10.1134/s0036024416090041.
25. Жуков, С.Г. Влияние гидростатического давления на фазовые переходы в кристаллах К (H1-xDx)2PO4 / С.Г. Жуков, В.А. Кульбачинский, П.С. Смирнов и др. // Известия Академии наук СССР. Серия физическая. – 1985. – Т. 49. – № 2. – С. 255-258.