Low-frequency impedance spectroscopy of polymers and crystals with a hydrogen-bond network. Quantum collective excitations of nuclei in molecules

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

In this work, we present the results of our studies of temperature-frequency behaviour of dielectric permittivity ε , conductivity σ , relaxation time τμ , thermodepolarisation currents j , and pirocurrents γ in hydrophilic polymers and crystals with a hydrogen-bond network OH…O in the ranges of 0,01-107 Hz and 20-140°С. Analysis of the obtained data has revealed temperature anomalies of ε(T) , σ(T) , τμ(T) , j(T) , and γ(T) around «threshold» points at 20, 36, 50, 65, and 85°С, where the destruction of water clusters (and, if above 100°С, of water molecule itself) takes place, and thereby the release of deep traps, the change of the charge carriers ( Н 3 O +, ОН -, etc.) composition and of their trajectories in volume are observed. In this study, we draw an analogy between the temperature behaviour of ε , σ , τμ , j , and γ in «threshold» points having a characteristic single resonance peak and the dipole resonance of photoabsorption in clusters of Ag , Mg , and Sm metals, which is manifested in the broadening of resonance, single peak splitting, and in the formation of single-domain ATGS+ Cr 3+ crystal (0,06 wt.% Cr ). We also discuss a possible onset of collective nuclear excitements during irradiation with photons or an onset of internal electrical displacement field Edp in a sudden sample cooling or warming. The entanglement of photons by polarization is also considered.

About the authors

Olga D. Novik

M.V. Lomonosov Moscow State University

6th year student

Nadezhda D. Gavrilova

M.V. Lomonosov Moscow State University

Dr. Sc., Professor

Olga V. Malyshkina

Tver State University

Email: olga.malyshkina@mail.ru
Dr. Sc., Professor, Full Professor, Department of Computer Security and Mathematical Control Methods

References

  1. Chaplin M.F. Structure and properties of water in its various states, Encyclopedia of Water: Science, Technology, and Society; ed. by P.A. Maurice, 2019, 19 p. doi: 10.1002/9781119300762.wsts0002.
  2. Drechsel-Grau C., Marx D. Protons in concert. Nature Physics, 2015, vol. 11, issue 3, pp. 216-218. doi: 10.1038/nphys3269.
  3. Cantrell W., Ewing G.E. Thin film water on muscovite mica. The Journal of Physical Chemistry B, 2001, vol. 105, issue 23, pp. 5434-5439. doi: 10.1021/jp004305b.
  4. Gavrilova N.D., Malyshkina I.A., Novik O.D. Thermally stimulated depolarization currents in TGS crystals with impurities and radiation defects under stepwise heating, Moscow University Physics Bulletin, 2020, vol. 75, issue 3, pp. 242-248. doi: 10.3103/S0027134920030091.
  5. Tiggesbäumker J., Köller L., Meiwes-Broer K.-H. Bound-free collective electron excitations in negatively charged silver clusters, Chemical Physics Letters, 1996, vol. 260, issue 3-4, pp. 428-432. doi: 10.1016/0009-2614(96)00950-5.
  6. Varlamov V.V., Ishkhanov B.S., Kapitonov I.M. et al. On the role of nucleons of different shells in the formation of the giant dipole resonance of the 24Mg nucleus, Soviet Journal of Nuclear Physics, 1979, vol. 30, no. 5, pp. 617-622.
  7. Ishkhanov B.S., Kapitonov I.M. Giant dipole resonance of atomic nuclei. Prediction, discovery, and research. Physics-Uspekhi, 2021, vol. 64, issue 2, pp. 141-156. doi: 10.3367/UFNe.2020.02.038725.
  8. Migdal A. Quadrupole and dipole γ-radiation of nuclei, Journal of Physics Academy of Sciences of the USSR, 1944, vol. 8, issue 1-6, pp. 331-336.
  9. Carlos P. The giant dipole resonance in the transition region of the samarium isotopes, Nuclear Physics A, 1974, vol. 225, issue 1, pp. 171-188. doi: 10.1016/0375-9474(74)90373-X.
  10. Jonscher A.K. Dielectric relaxation in solids, Journal of Physics D: Applied Physics, 1999, vol. 32, issue 14, pp. R57-R70. doi: 10.1088/0022-3727/32/14/201.
  11. Novik O.D., Malyshkina I.A., Gavrilova N.D. Dielectric ordering of water molecules in the dipole lattice of potassium hexacyanoferrate (II) trihydrate. Ferroelectrics, 2022, vol. 600, issue 1, pp. 124-136. doi: 10.1080/00150193.2022.2115804.
  12. Gavrilova N.D., Novik V.K., Malyshkina I.A. The role of water in the anomalies of pyro- and thermodepolarization properties of pyroactive polymer films at stepwise heating, Journal of Non-Crystalline Solids, 2018, vol. 483, pp. 60-64. doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2017.12.056.
  13. Gavrilova N.D., Novik V.K. 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, Moscow University Physics Bulletin, 2011, vol. 66, issue 3, pp. 260-266. doi: 10.3103/S0027134911030076.
  14. Gavrilova N.D., Malyshkina I.A., Makhaeva E.E. et al. Dielectric relaxation anomalies in polyacrylic acid and their relationship with "critical" points of water, Ferroelectrics, 2016, vol. 504, issue 1, pp. 3-14. doi: 10.1080/00150193.2016.1238284.
  15. Gavrilova N.D., Malyshkina I.A., Novik O.D. A special role of water in dielectrics of different structural organization, Ferroelectrics, 2021, vol. 585, issue 1, pp. 40-51. doi: 10.1080/00150193.2021.1991219.
  16. Gavrilova N.D., Malyshkina I.A. The influence of changes in the structure of hydrogen bonds of water on the electrophysical properties of matrix-water systems in stepwise heating, Moscow University Physics Bulletin, 2018, vol. 73, issue 6, pp. 651-658. doi: 10.3103/S0027134918060127.
  17. Verkhovskaya K.A., Gavrilova N.D., Novik V.K. et al. Low-frequency dielectric dispersion and pyroelectric effect inferroelectric vinylidene fluoride - trifluoroethylene copolymer in phase transitions, Moscow University Physics Bulletin, 1997, vol. 52, issue 3, pp. 55-66.
  18. Gavrilova N.D., Makhaeva E.E., Malyshkina I.A., Khokhlov A.R. Dielectric response of polyampholytes with different structures, Polymer Science, Series B, 2018, vol. 24, issue 11-12, pp. 379-383.
  19. Gavrilova N.D., Malyshkina I.A., Novik O.D. Hydrogen bond as a trigger of ferroelectric-like phase transition in lithium-thallium tartrate monohydrate. Ferroelectrics, 2021, vol. 582, issue 1, pp. 1-11. doi: 10.1080/00150193.2021.1951029.
  20. Gaur M.S. Thermally stimulated current analysis in human blood, Trends in Biomaterials and Artificial Organs, 2007, vol. 21, issue 1, pp. 8-13.
  21. Shcherbachenko L.A., Borisov V.S., Maksimova N.T. et al. Electret effect and electrotransport in disperse organic and inorganic systems, Technical Physics. 2009, vol. 54, issue 9, pp. 1372-1379. doi: 10.1134/S1063784209090199.
  22. Slater J. Theory of the transition in KH2PO4, The Journal of Chemical Physics, 1941, vol. 9, issue 1, pp. 16-33. doi: 10.1063/1.1750821.
  23. Belyanchikov M.A., Savinov M., Bedran Z.V. et al. Dielectric ordering of water molecules arranged in a dipolar lattice, Nature Communications, 2020, vol. 11, issue 1, art. no. 3927, 9 p. doi: 10.1038/s41467-020-17832-y.
  24. Bednyakov A.S., Novakovskaya Y.V. Formation of charged H3O+ and OH- fragments at consistent shifts of protons in water clusters.Russian Journal of Physical Chemistry A, 2016, vol. 90, issue 9, pp. 1813-1821. doi: 10.1134/s0036024416090041.
  25. Zhukov S.G., Kulbachinskii V.A., Smirnov P.S. et al. Vliyanie gidrostaticheskogo davleniya na fazovye perekhody v kristallakh K(H(1-x)Dx)2PO4 [Influence of the hydrostatic-pressure on phase-transitions in K(H(1-x)Dx)2PO4 crystals], Izvestiya Akademii nauk SSSR Seriya fizicheskaya [Bulletin of the Academy of Sciences of the USSR. Physical Series], 1985, vol. 49, no. 2, pp. 255-258. (In Russian).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».