Almal weet dat water in drie toestande van aggregasie voorkom. Ons sit die ketel aan, en die water begin kook en verdamp, en verander van vloeistof na gasvormig. Ons sit dit in die vrieskas, en dit begin in ys verander, en beweeg sodoende van 'n vloeistof na 'n vaste toestand. Onder sekere omstandighede kan waterdamp wat in die lug teenwoordig is, egter onmiddellik in die vaste fase oorgaan en die vloeistoffase omseil. Ons ken hierdie proses aan die resultaat daarvan - pragtige patrone op die vensters op 'n ysige wintersdag. Motor-entoesiaste, wanneer hulle 'n laag ys van die voorruit skraap, karakteriseer hierdie proses dikwels deur nie baie wetenskaplike nie, maar baie emosionele en aanskoulike byskrifte te gebruik. Op een of ander manier was die besonderhede van die vorming van tweedimensionele ys vir baie jare in geheimhouding gehul. En onlangs kon ’n internasionale span wetenskaplikes vir die eerste keer die atoomstruktuur van tweedimensionele ys tydens die vorming daarvan visualiseer. Watter geheime is versteek in hierdie oënskynlik eenvoudige fisiese proses, hoe het wetenskaplikes dit reggekry om dit te ontbloot en hoe is hul bevindinge bruikbaar? Die verslag van die navorsingsgroep sal ons hiervan vertel. Gaan.
Navorsingsbasis
As ons oordryf, dan is feitlik alle voorwerpe om ons driedimensioneel. As ons egter sommige van hulle noukeuriger oorweeg, kan ons ook tweedimensionele vind. 'n Kors ys wat op die oppervlak van iets vorm, is 'n uitstekende voorbeeld hiervan. Die bestaan van sulke strukture is nie 'n geheim vir die wetenskaplike gemeenskap nie, want dit is baie keer ontleed. Maar die probleem is dat dit nogal moeilik is om metstabiele of intermediêre strukture betrokke by die vorming van 2D-ys te visualiseer. Dit is as gevolg van banale probleme – die broosheid en broosheid van die strukture wat bestudeer word.
Gelukkig laat moderne skanderingsmetodes toe dat monsters met minimale impak ontleed word, wat toelaat dat maksimum data in 'n kort tydperk verkry kan word, as gevolg van bogenoemde redes. In hierdie studie het die wetenskaplikes nie-kontak atoomkragmikroskopie gebruik, met die punt van die mikroskoopnaald bedek met koolstofmonoksied (CO). Die kombinasie van hierdie skanderingsinstrumente maak dit moontlik om intydse beelde te verkry van die randstrukture van tweedimensionele tweelaagse seskantige ys wat op 'n goue (Au) oppervlak gegroei het.
Mikroskopie het getoon dat tydens die vorming van tweedimensionele ys, twee tipes rande (segmente wat twee hoekpunte van 'n veelhoek verbind) gelyktydig in sy struktuur bestaan: sigsag (zigzag) en stoelvormig (leunstoel).
Leunstoel (links) en sigsag (regs) rande met grafeen as voorbeeld.
Op hierdie stadium is die monsters vinnig gevries, sodat die atoomstruktuur in detail ondersoek kon word. Modellering is ook uitgevoer, waarvan die resultate grootliks saamgeval het met die waarnemingsresultate.
Daar is gevind dat in die geval van die vorming van sigsagribbe 'n bykomende watermolekule by die bestaande rand gevoeg word, en die hele proses word deur die oorbruggingsmeganisme gereguleer. Maar in die geval van die vorming van leunstoelribbe is geen bykomende molekules opgespoor nie, wat sterk kontras met tradisionele idees oor die groei van tweelaagse seskantige ys en tweedimensionele seskantige stowwe in die algemeen.
Waarom het wetenskaplikes 'n nie-kontak atoomkragmikroskoop vir hul waarnemings gekies eerder as 'n skandeertonnelmikroskoop (STM) of transmissie-elektronmikroskoop (TEM)? Soos ons reeds weet, hou die keuse verband met die moeilikheid om die kortstondige en brose strukture van tweedimensionele ys te bestudeer. STM is voorheen gebruik om 2D-yse wat op verskeie oppervlaktes gekweek word, te bestudeer, maar hierdie tipe mikroskoop is nie sensitief vir die posisie van kerne nie, en sy punt kan beeldfoute veroorsaak. TEM, inteendeel, toon perfek die atoomstruktuur van die ribbes. Die verkryging van beelde van hoë gehalte vereis egter hoë-energie-elektrone, wat die randstruktuur van kovalent-gebinde XNUMXD-materiale maklik kan verander of selfs vernietig, om nie eens te praat van die meer los-gebinde rande in XNUMXD-ys nie.
'n Atoomkragmikroskoop het nie sulke nadele nie, en 'n CO-bedekte punt laat die studie van grensvlakwater toe met minimale invloed op watermolekules.
Navorsingsresultate
Prent #1
Tweedimensionele ys is op die Au(111)-oppervlak gegroei teen 'n temperatuur van ongeveer 120 K, en die dikte daarvan was 2.5 Å (1a).
STM beelde van ys (1c) en die ooreenstemmende vinnige Fourier-transformasiebeeld (ingevoeg in 1a) toon 'n goed-geordende seskantige struktuur met 'n periodisiteit van Au(111)-√3 x √3-30°. Alhoewel die sellulêre H-gekoppelde netwerk van 2D-ys in die STM-beeld sigbaar is, is die gedetailleerde topologie van die randstrukture moeilik om te bepaal. Terselfdertyd het AFM met 'n frekwensieskuif (Δf) van dieselfde monsterarea beter beelde gegee (1d), wat dit moontlik gemaak het om stoelvormige en sigsaggedeeltes van die struktuur te visualiseer. Die totale lengte van beide variante is vergelykbaar, maar die gemiddelde lengte van die voorganger rib is effens langer (1b). Sigsagribbe kan tot 60 Å lank word, maar stoelvormige ribbes word tydens vorming met gebreke bedek, wat hul maksimum lengte tot 10-30 Å verminder.
Vervolgens is sistematiese AFM-beelding op verskillende naaldhoogtes uitgevoer (2a).
Prent #2
Op die hoogste punthoogte, wanneer die AFM-sein deur hoër orde elektrostatiese krag oorheers word, is twee stelle √3 x √3 subroosters in tweedimensionele dubbellaag-ys geïdentifiseer, waarvan een in 2a (links).
By laer naaldhoogtes begin die helder elemente van hierdie subskikking rigtingwysheid toon, en die ander subskikking verander in 'n V-vormige element (2a, gesentreer).
By minimum naaldhoogte openbaar AFM 'n heuningkoekstruktuur met duidelike lyne wat twee subroosters verbind, wat herinner aan H-bindings (2a, regs).
Digtheid funksionele teorie-berekeninge toon dat tweedimensionele ys wat op die Au(111)-oppervlak gegroei word, ooreenstem met 'n ineensluitende twee-laag ysstruktuur (2s), bestaande uit twee plat seskantige lae water. Die seshoeke van die twee velle is gekonjugeer, en die hoek tussen die watermolekules in die vlak is 120°.
In elke laag water lê die helfte van die watermolekules horisontaal (parallel aan die substraat) en die ander helfte lê vertikaal (loodreg op die substraat), met een O–H wat op of af wys. Vertikaal liggende water in een laag skenk 'n H-binding aan horisontale water in 'n ander laag, wat 'n volledig versadigde H-vormige struktuur tot gevolg het.
AFM simulasie met behulp van 'n vierpool (dz 2) punt (2b) gebaseer op bogenoemde model is in goeie ooreenstemming met eksperimentele resultate (2a). Ongelukkig maak die soortgelyke hoogtes van horisontale en vertikale water hul identifikasie moeilik tydens STM-beelding. Wanneer atoomkragmikroskopie egter gebruik word, is die molekules van beide tipes water duidelik onderskeibaar (2a и 2b regs) omdat die hoër orde elektrostatiese krag baie sensitief is vir die oriëntasie van watermolekules.
Dit was ook moontlik om die OH-rigting van horisontale en vertikale water verder te bepaal deur die interaksie tussen hoër-orde elektrostatiese kragte en Pauli afstotende kragte, soos getoon deur die rooi lyne in 2a и 2b (middel).
Prent #3
In die beelde 3a и 3b (Fase 1) toon vergrote AFM-beelde van onderskeidelik sigsag- en leunstoelvinne. Daar is gevind dat die sigsagrand groei terwyl sy oorspronklike struktuur behou word, en met die groei van die stoelvormige rand word die rand herstel in die periodieke struktuur van 5756 ringe, d.w.s. wanneer die struktuur van die ribbes periodiek herhaal die volgorde vyfhoek - heptagoon - vyfhoek - seshoek.
Digtheid funksionele teorie berekeninge toon dat die ongerekonstrueerde sigsagvin en die 5756 stoelvin die mees stabiele is. Die 5756-rand word gevorm as gevolg van gekombineerde effekte wat die aantal onversadigde waterstofbindings verminder en spanningsenergie verminder.
Wetenskaplikes onthou dat die basale vlakke van seskantige ys gewoonlik in sigsagribbe eindig, en stoelvormige ribbes is afwesig as gevolg van die hoër digtheid van onversadigde waterstofbindings. In klein stelsels of waar spasie beperk is, kan stoelvinne egter hul energie verminder deur behoorlike herontwerp.
Soos vroeër genoem, toe ysgroei by 120 K gestop is, is die monster onmiddellik afgekoel tot 5 K om metstabiele of oorgangsrandstrukture te probeer vries en 'n relatief lang monsterlewe te verseker vir gedetailleerde studie deur gebruik te maak van STM en AFM. Dit was ook moontlik om die groeiproses van tweedimensionele ys (prent nr. 3) te rekonstrueer danksy die CO-gefunksionaliseerde mikroskooppunt, wat dit moontlik gemaak het om metstabiele en oorgangstrukture op te spoor.
In die geval van sigsagribbe is individuele vyfhoeke soms aan die reguit ribbes geheg gevind. Hulle kan in 'n ry in lyn wees en 'n skikking vorm met 'n periodisiteit van 2 x ys (ys is die roosterkonstante van tweedimensionele ys). Hierdie waarneming kan aandui dat die groei van sigsagrande geïnisieer word deur die vorming van 'n periodieke reeks vyfhoeke (3a, stap 1-3), wat behels die byvoeging van twee waterpare vir die vyfhoek (rooi pyle).
Vervolgens word die reeks vyfhoeke verbind om 'n struktuur soos 56665 (3a, stadium 4), en herstel dan die oorspronklike sigsag-voorkoms deur meer waterdamp by te voeg.
Met stoelvormige rande is die situasie die teenoorgestelde - daar is geen skikkings van vyfhoeke nie, maar in plaas daarvan word kort gapings soos 5656 op die rand redelik dikwels waargeneem. Die lengte van die 5656-vin is aansienlik korter as dié van die 5756. Dit is moontlik omdat die 5656-vin baie gespanne en minder stabiel is as die 5756. Begin met die 5756-stoelvin, word 575 ringe plaaslik omgeskakel na 656 ringe deur twee by te voeg. waterdamp (3b, stadium 2). Vervolgens groei die 656 ringe in die dwarsrigting en vorm 'n rand van die 5656-tipe (3b, stadium 3), maar met 'n beperkte lengte as gevolg van die ophoping van vervormingsenergie.
As een waterpaar by die seshoek van 'n 5656 vin gevoeg word, kan die vervorming gedeeltelik verswak word, en dit sal weer lei tot die vorming van 'n 5756 vin (3b, stadium 4).
Bogenoemde resultate is baie aanduidend, maar daar is besluit om dit te ondersteun met bykomende data verkry uit molekulêre dinamika berekeninge van waterdamp op die Au (111) oppervlak.
Daar is gevind dat XNUMXD-dubbellaag-ys-eilande suksesvol en ongehinderd op die oppervlak gevorm het, wat ooreenstem met ons eksperimentele waarnemings.
Prent #4
Op die beeld 4a Die meganisme van kollektiewe vorming van brûe op sigsagribbe word stap vir stap getoon.
Hieronder is mediamateriaal oor hierdie studie met 'n beskrywing.
Mediamateriaal nr. 1
Dit is opmerklik dat 'n enkele vyfhoek wat aan 'n sigsagrand geheg is, nie as 'n plaaslike kernvormingsentrum kan optree om groei te bevorder nie.
Mediamateriaal nr. 2
In plaas daarvan vorm 'n periodieke maar nie-verbonde netwerk van vyfhoeke aanvanklik op die sigsagrand, en daaropvolgende inkomende watermolekules poog gesamentlik om hierdie vyfhoeke te verbind, wat lei tot die vorming van 'n 565-tipe kettingstruktuur Ongelukkig is so 'n struktuur nie waargeneem tydens praktiese waarnemings, wat sy uiters kort lewensduur verklaar.
Mediamateriaal nr. 3 en nr. 4
Die byvoeging van een waterpaar verbind die 565 tipe struktuur en die aangrensende vyfhoek, wat lei tot die vorming van die 5666 tipe struktuur.
Die 5666 tipe struktuur groei lateraal om die 56665 tipe struktuur te vorm en ontwikkel uiteindelik in 'n ten volle gekoppelde seskantige rooster.
Mediamateriaal nr. 5 en nr. 6
Op die beeld 4b groei word getoon in die geval van 'n leunstoelrib. Die omskakeling van tipe 575-ringe na tipe 656-ringe begin vanaf die onderste laag en vorm 'n saamgestelde 575/656-struktuur wat nie in die eksperimente van 'n tipe 5756-vin onderskei kan word nie, aangesien slegs die boonste laag van die tweelaag-ys afgebeeld kan word tydens die eksperimente.
Mediamateriaal nr. 7
Die gevolglike brug 656 word die kernvormingsentrum vir die groei van die 5656-rib.
Mediamateriaal nr. 8
Die byvoeging van een watermolekule by 'n 5656-rand lei tot 'n hoogs mobiele ongepaarde molekulestruktuur.
Mediamateriaal nr. 9
Twee van hierdie ongepaarde watermolekules kan daarna kombineer tot 'n meer stabiele heptagonale struktuur, wat die omskakeling van 5656 na 5756 voltooi.
Vir 'n meer gedetailleerde kennismaking met die nuanses van die studie, beveel ek aan om na te kyk .
Epiloog
Die hoofgevolgtrekking van hierdie studie is dat die waargenome gedrag van strukture tydens groei algemeen kan wees vir alle tipes tweedimensionele ys. Tweelaagse seskantige ys vorm op verskeie hidrofobiese oppervlaktes en onder hidrofobiese inperkingstoestande, en kan daarom as 'n aparte 2D-kristal (2D-ys I) beskou word, waarvan die vorming onsensitief is vir die onderliggende struktuur van die substraat.
Wetenskaplikes sê eerlik dat hul beeldtegniek nog nie geskik is om met driedimensionele ys te werk nie, maar die resultate van die bestudering van tweedimensionele ys kan as basis dien om die vormingsproses van sy volumetriese familielid te verduidelik. Met ander woorde, om te verstaan hoe tweedimensionele strukture vorm, is 'n belangrike grondslag vir die bestudering van driedimensionele strukture. Dit is vir hierdie doel dat die navorsers beplan om hul metode in die toekoms te verbeter.
Dankie vir julle aandag, bly nuuskierig en lekker week vir almal. 🙂
Sommige advertensies 🙂
Dankie dat jy by ons gebly het. Hou jy van ons artikels? Wil jy meer interessante inhoud sien? Ondersteun ons deur 'n bestelling te plaas of by vriende aan te beveel, , 'n unieke analoog van intreevlakbedieners, wat deur ons vir jou uitgevind is: (beskikbaar met RAID1 en RAID10, tot 24 kerne en tot 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2x goedkoper in Equinix Tier IV-datasentrum in Amsterdam? Net hier in Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - vanaf $99! Lees van
Bron: will.com