يعلم الجميع أن الماء يحدث في ثلاث حالات تجميع. نضع الغلاية، ويبدأ الماء بالغليان والتبخر، ويتحول من السائل إلى الغازي. وندخله إلى الفريزر، فيبدأ بالتحول إلى ثلج، وبالتالي ينتقل من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة. ومع ذلك، في ظل ظروف معينة، يمكن لبخار الماء الموجود في الهواء أن ينتقل فورًا إلى الطور الصلب، متجاوزًا الطور السائل. نحن نعرف هذه العملية من خلال نتيجتها - أنماط جميلة على النوافذ في يوم شتوي فاتر. سائقو السيارات، عند كشط طبقة من الجليد من الزجاج الأمامي، غالبا ما يصفون هذه العملية باستخدام صفات غير علمية للغاية، ولكن عاطفية للغاية ومشرقة. بطريقة أو بأخرى، كانت تفاصيل تكوين الجليد ثنائي الأبعاد محاطة بالسرية لسنوات عديدة. ومؤخرا، ولأول مرة، تمكن فريق دولي من العلماء من تصور التركيب الذري للجليد ثنائي الأبعاد أثناء تكوينه. ما هي الأسرار المخفية في هذه العملية الفيزيائية التي تبدو بسيطة، وكيف تمكن العلماء من كشفها، وكيف تكون النتائج التي توصلوا إليها مفيدة؟ سيخبرنا تقرير مجموعة البحث عن هذا. يذهب.
أساس البحث
إذا بالغنا، فإن جميع الأشياء من حولنا تقريبًا ثلاثية الأبعاد. ومع ذلك، إذا نظرنا إلى بعضها بشكل أكثر دقة، فيمكننا أيضًا العثور على كائنات ثنائية الأبعاد. إن قشرة الجليد التي تتشكل على سطح شيء ما هي مثال رئيسي على ذلك. إن وجود مثل هذه الهياكل ليس سرا على المجتمع العلمي، لأنه تم تحليلها عدة مرات. لكن المشكلة هي أنه من الصعب جدًا تصور الهياكل شبه المستقرة أو المتوسطة المشاركة في تكوين الجليد ثنائي الأبعاد. ويرجع ذلك إلى مشاكل عادية - هشاشة وهشاشة الهياكل قيد الدراسة.
ولحسن الحظ، تسمح طرق المسح الحديثة بتحليل العينات بأقل قدر من التأثير، مما يسمح بالحصول على أقصى قدر من البيانات في فترة زمنية قصيرة، وذلك للأسباب المذكورة أعلاه. في هذه الدراسة، استخدم العلماء مجهر القوة الذرية غير المتصل، مع طلاء طرف إبرة المجهر بأول أكسيد الكربون (CO). يتيح الجمع بين أدوات المسح هذه الحصول على صور في الوقت الفعلي للهياكل الحافة لجليد سداسي ثنائي الطبقة ثنائي الأبعاد مزروع على سطح ذهبي (Au).
أظهر الفحص المجهري أنه أثناء تكوين الجليد ثنائي الأبعاد، يتعايش نوعان من الحواف (أجزاء تربط بين رأسي مضلع) في نفس الوقت في بنيته: متعرج (متعرج) وعلى شكل كرسي (أريكة).
حواف الكرسي (يسار) وحواف متعرجة (يمين) باستخدام الجرافين كمثال.
في هذه المرحلة، تم تجميد العينات بسرعة، مما يسمح بفحص التركيب الذري بالتفصيل. تم أيضًا إجراء النمذجة، والتي تزامنت نتائجها إلى حد كبير مع نتائج المراقبة.
وقد وجد أنه في حالة تكوين أضلاع متعرجة، يتم إضافة جزيء ماء إضافي إلى الحافة الموجودة، ويتم تنظيم العملية برمتها من خلال آلية التجسير. لكن في حالة تكوين أضلاع الكرسي، لم يتم اكتشاف أي جزيئات إضافية، وهو ما يتناقض بشدة مع الأفكار التقليدية حول نمو الجليد السداسي ثنائي الطبقة والمواد السداسية ثنائية الأبعاد بشكل عام.
لماذا اختار العلماء مجهر القوة الذرية غير المتصل لملاحظاتهم بدلاً من مجهر النفق الماسح (STM) أو المجهر الإلكتروني النافذ (TEM)؟ وكما نعلم بالفعل، فإن الاختيار يرتبط بصعوبة دراسة الهياكل الهشة وقصيرة العمر للجليد ثنائي الأبعاد. تم استخدام STM سابقًا لدراسة الجليد ثنائي الأبعاد المزروع على أسطح مختلفة، لكن هذا النوع من المجهر ليس حساسًا لموضع النوى، ويمكن أن يتسبب طرفه في حدوث أخطاء في التصوير. على العكس من ذلك، يُظهر TEM التركيب الذري للأضلاع بشكل مثالي. ومع ذلك، فإن الحصول على صور عالية الجودة يتطلب إلكترونات عالية الطاقة، والتي يمكنها بسهولة تغيير أو حتى تدمير بنية الحواف للمواد ثنائية الأبعاد المرتبطة تساهميًا، ناهيك عن الحواف الأكثر ترابطًا في الجليد ثنائي الأبعاد.
لا يحتوي مجهر القوة الذرية على مثل هذه العيوب، كما يسمح الطرف المطلي بثاني أكسيد الكربون بدراسة المياه البينية مع الحد الأدنى من التأثير على جزيئات الماء.
نتائج الدراسة
الصورة رقم 1
تمت زراعة جليد ثنائي الأبعاد على سطح Au(111) عند درجة حرارة حوالي 120 كلفن، وكان سمكه 2.5 أنجستروم (1а).
صور STM للجليد (1c) وصورة تحويل فورييه السريعة المقابلة (أدرج في 1а) يُظهر هيكلًا سداسيًا مرتبًا بشكل جيد مع دورية Au (111) -√3 x √3-30°. على الرغم من أن الشبكة الخلوية المتصلة بـ H من الجليد ثنائي الأبعاد مرئية في صورة STM، إلا أنه من الصعب تحديد الهيكل التفصيلي لهياكل الحافة. في الوقت نفسه، أعطى AFM مع إزاحة التردد (Δf) لنفس منطقة العينة صورًا أفضل (1d) ، مما جعل من الممكن تصور أقسام الهيكل على شكل كرسي ومتعرج. الطول الإجمالي لكلا الخيارين قابل للمقارنة، ولكن متوسط طول الضلع السابق أطول قليلاً (1b). يمكن أن تنمو الأضلاع المتعرجة حتى طول 60 أنجستروم، لكن الأضلاع التي على شكل كرسي تصبح مغطاة بالعيوب أثناء التكوين، مما يقلل من الحد الأقصى لطولها إلى 10-30 أنجستروم.
بعد ذلك، تم إجراء تصوير منهجي AFM على ارتفاعات مختلفة للإبرة (2а).
الصورة رقم 2
عند أعلى ارتفاع للطرف، عندما تهيمن القوة الكهروستاتيكية ذات الترتيب الأعلى على إشارة AFM، تم تحديد مجموعتين من الشبكات الفرعية √3 × √3 في الجليد ثنائي الطبقة ثنائي الأبعاد، تظهر إحداهما في 2а (غادر).
عند ارتفاعات الإبرة المنخفضة، تبدأ العناصر الساطعة لهذه المصفوفة الفرعية في إظهار الاتجاه، وتتحول المصفوفة الفرعية الأخرى إلى عنصر على شكل حرف V (2a، مركز).
عند الحد الأدنى من ارتفاع الإبرة، يكشف AFM عن بنية قرص العسل مع خطوط واضحة تربط بين شبكتين فرعيتين، تذكرنا بالروابط H (2a، على اليمين).
تُظهر حسابات نظرية الكثافة الوظيفية أن الجليد ثنائي الأبعاد المزروع على سطح Au(111) يتوافق مع بنية جليدية متشابكة مكونة من طبقتين (2s) مكونة من طبقتين مسطحتين سداسية من الماء. تكون الأشكال السداسية للصفحتين مترافقة، والزاوية بين جزيئات الماء في المستوى هي 120 درجة.
في كل طبقة من الماء، تقع نصف جزيئات الماء أفقيًا (موازيًا للركيزة) والنصف الآخر عموديًا (متعامدًا على الركيزة)، مع توجيه جزيء O-H لأعلى أو لأسفل. يتبرع الماء الموجود عموديًا في إحدى الطبقات برابطة H إلى الماء الأفقي في طبقة أخرى، مما يؤدي إلى بنية على شكل H مشبعة بالكامل.
محاكاة AFM باستخدام الطرف الرباعي (dz 2) (2b) بناء على النموذج أعلاه يتفق بشكل جيد مع النتائج التجريبية (2a). ولسوء الحظ، فإن الارتفاعات المتشابهة للمياه الأفقية والرأسية تجعل تحديد هويتها أمرًا صعبًا أثناء تصوير STM. ومع ذلك، عند استخدام مجهر القوة الذرية، يمكن تمييز جزيئات كلا النوعين من الماء بوضوح (2a и 2b صحيح) لأن القوة الكهروستاتيكية ذات الترتيب الأعلى حساسة جدًا لاتجاه جزيئات الماء.
كان من الممكن أيضًا تحديد اتجاه OH للمياه الأفقية والرأسية من خلال التفاعل بين القوى الكهروستاتيكية ذات الترتيب الأعلى وقوى باولي التنافرية، كما هو موضح بالخطوط الحمراء في 2а и 2b (مركز).
الصورة رقم 3
في الصور 3а и 3b (المرحلة 1) تعرض صور AFM مكبرة للزعانف المتعرجة والكراسي، على التوالي. وقد وجد أن الحافة المتعرجة تنمو مع الحفاظ على بنيتها الأصلية، ومع نمو الحافة على شكل الكرسي يتم استعادة الحافة في البنية الدورية المكونة من 5756 حلقة، أي. عندما يتكرر تركيب الأضلاع بشكل دوري التسلسل الخماسي – السباعي – الخماسي – السداسي.
تظهر حسابات نظرية الكثافة الوظيفية أن الزعنفة المتعرجة غير المبنية والزعنفة الكرسي 5756 هي الأكثر استقرارًا. يتم تشكيل حافة 5756 نتيجة لتأثيرات مشتركة تقلل من عدد الروابط الهيدروجينية غير المشبعة وتقلل من طاقة الإجهاد.
ويذكر العلماء أن المستويات القاعدية للجليد السداسي تنتهي عادة بأضلاع متعرجة، وتغيب الأضلاع الكرسيية بسبب ارتفاع كثافة الروابط الهيدروجينية غير المشبعة. ومع ذلك، في الأنظمة الصغيرة أو عندما تكون المساحة محدودة، يمكن لزعانف الكرسي تقليل طاقتها من خلال إعادة التصميم المناسب.
كما ذكرنا سابقًا، عندما توقف نمو الجليد عند 120 كلفن، تم تبريد العينة على الفور إلى 5 كلفن لمحاولة تجميد هياكل الحافة شبه المستقرة أو الانتقالية وضمان عمر عينة طويل نسبيًا لإجراء دراسة تفصيلية باستخدام STM وAFM. كان من الممكن أيضًا إعادة بناء عملية نمو الجليد ثنائي الأبعاد (الصورة رقم 3) بفضل طرف المجهر الذي يعمل بثاني أكسيد الكربون، والذي جعل من الممكن اكتشاف الهياكل شبه المستقرة والانتقالية.
في حالة الأضلاع المتعرجة، تم العثور أحيانًا على خماسيات فردية متصلة بالأضلاع المستقيمة. يمكنهم الاصطفاف في صف واحد، وتشكيل مصفوفة ذات دورية تبلغ 2x آيس (آيس هو ثابت الشبكة للجليد ثنائي الأبعاد). قد تشير هذه الملاحظة إلى أن نمو الحواف المتعرجة يبدأ بتكوين مجموعة دورية من الخماسيات (3а، الخطوة 1-3)، والتي تتضمن إضافة زوجين مائيين للخماسي (الأسهم الحمراء).
بعد ذلك، يتم توصيل مجموعة الخماسيات لتكوين هيكل مثل 56665 (3а، المرحلة 4)، ثم يستعيد المظهر المتعرج الأصلي عن طريق إضافة المزيد من بخار الماء.
مع الحواف على شكل كرسي، يكون الوضع عكس ذلك - لا توجد مصفوفات من الخماسيات، ولكن بدلاً من ذلك يتم ملاحظة فجوات قصيرة مثل 5656 على الحافة في كثير من الأحيان. طول الزعنفة 5656 أقصر بكثير من الزعنفة 5756. ربما يرجع ذلك إلى أن الزعنفة 5656 شديدة الضغط وأقل استقرارًا من الزعنفة 5756. بدءًا من الزعنفة الكرسي 5756، يتم تحويل 575 حلقة محليًا إلى 656 حلقة بإضافة اثنين بخار الماء (3b، المرحلة 2). بعد ذلك، تنمو الحلقات الـ 656 في الاتجاه العرضي، لتشكل حافة من النوع 5656 (3b، المرحلة 3)، ولكن بطول محدود بسبب تراكم طاقة التشوه.
إذا تمت إضافة زوج مائي واحد إلى شكل زعنفة 5656، فقد يضعف التشوه جزئيًا، وهذا سيؤدي مرة أخرى إلى تكوين زعنفة 5756 (3b، المرحلة 4).
النتائج المذكورة أعلاه إرشادية للغاية، ولكن تقرر دعمها ببيانات إضافية تم الحصول عليها من حسابات الديناميكيات الجزيئية لبخار الماء على سطح Au (111).
لقد وجد أن الجزر الجليدية ثنائية الطبقة تشكلت بنجاح ودون عوائق على السطح، وهو ما يتوافق مع ملاحظاتنا التجريبية.
الصورة رقم 4
على الصورة 4а يتم عرض آلية التشكيل الجماعي للجسور على الأضلاع المتعرجة خطوة بخطوة.
فيما يلي مواد إعلامية حول هذه الدراسة مع وصف.
مادة إعلامية رقم 1
تجدر الإشارة إلى أن البنتاغون الواحد المتصل بحافة متعرجة لا يمكن أن يكون بمثابة مركز نواة محلي لتعزيز النمو.
مادة إعلامية رقم 2
بدلاً من ذلك، تتشكل في البداية شبكة دورية ولكن غير متصلة من الخماسيات على الحافة المتعرجة، وتحاول جزيئات الماء القادمة بشكل جماعي ربط هذه الخماسيات، مما يؤدي إلى تكوين هيكل سلسلة من نوع 565. لسوء الحظ، لم يتم ملاحظة مثل هذا الهيكل خلال الملاحظات العملية، التي تفسر عمرها الافتراضي القصير للغاية.
المادة الإعلامية رقم 3 ورقم 4
إضافة زوج مائي واحد يربط بين هيكل النوع 565 والخماسي المجاور، مما يؤدي إلى تكوين هيكل النوع 5666.
ينمو هيكل النوع 5666 بشكل جانبي ليشكل هيكل النوع 56665 ويتطور في النهاية إلى شبكة سداسية متصلة بالكامل.
المادة الإعلامية رقم 5 ورقم 6
على الصورة 4b ويظهر النمو في حالة ضلع الكرسي. يبدأ التحويل من حلقات النوع 575 إلى حلقات النوع 656 من الطبقة السفلية، مما يشكل بنية مركبة 575/656 لا يمكن تمييزها عن زعنفة النوع 5756 في التجارب، حيث يمكن تصوير الطبقة العليا فقط من الجليد المكون من طبقتين خلال التجارب.
مادة إعلامية رقم 7
ويصبح الجسر الناتج 656 هو مركز النواة لنمو الضلع 5656.
مادة إعلامية رقم 8
تؤدي إضافة جزيء ماء واحد إلى حافة 5656 إلى إنشاء بنية جزيئية غير متزاوجة عالية الحركة.
مادة إعلامية رقم 9
يمكن لجزيئين من جزيئات الماء غير المتزاوجة أن تتحد لاحقًا لتكوين بنية سباعية أكثر استقرارًا، مما يكمل التحويل من 5656 إلى 5756.
لمزيد من التعارف المفصل مع الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بالنظر .
خاتمة
الاستنتاج الرئيسي لهذه الدراسة هو أن السلوك الملحوظ للهياكل أثناء النمو قد يكون شائعًا في جميع أنواع الجليد ثنائي الأبعاد. يتشكل الجليد السداسي ثنائي الطبقة على أسطح مختلفة كارهة للماء وتحت ظروف الحبس الكارهة للماء، وبالتالي يمكن اعتباره بلورة منفصلة ثنائية الأبعاد (جليد ثنائي الأبعاد I)، ويكون تكوينها غير حساس للبنية الأساسية للركيزة.
يقول العلماء بصراحة أن تقنية التصوير الخاصة بهم ليست مناسبة بعد للعمل مع الجليد ثلاثي الأبعاد، ولكن نتائج دراسة الجليد ثنائي الأبعاد يمكن أن تكون بمثابة الأساس لشرح عملية تكوين قريبه الحجمي. وبعبارة أخرى، فإن فهم كيفية تشكل الهياكل ثنائية الأبعاد هو أساس مهم لدراسة الهياكل ثلاثية الأبعاد. ولهذا الغرض يخطط الباحثون لتحسين منهجيتهم في المستقبل.
شكرًا لكم على اهتمامكم ، ابقوا فضوليين واستمتعوا بأسبوع جيد للجميع. 🙂
بعض الاعلانات 🙂
أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المحتوى المثير للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية للأصدقاء ، , تناظرية فريدة من خوادم المستوى المبتدئ ، اخترعناها من أجلك: (متوفر مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجا بايت DDR4).
Dell R730xd أرخص مرتين في مركز بيانات Equinix Tier IV في أمستردام؟ هنا فقط في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 جيجا هرتز 6C 128 جيجا بايت DDR3 2x960 جيجا بايت SSD 1 جيجا بايت في الثانية 100 تيرا بايت - من 99 دولارًا! أقرأ عن
المصدر: www.habr.com