Hər kəs bilir ki, su üç birləşmə vəziyyətində olur. Çaydanı qoyduq və su qaynamağa və buxarlanmağa başlayır, mayedən qaz halına gəlir. Dondurucuya qoyduq və buza çevrilməyə başlayır və bununla da maye haldan bərk vəziyyətə keçir. Bununla belə, müəyyən şəraitdə havada mövcud olan su buxarı maye fazadan yan keçərək dərhal bərk faza keçə bilər. Biz bu prosesi onun nəticəsi ilə tanıyırıq - şaxtalı qış günündə pəncərələrdəki gözəl naxışlar. Avtomobil həvəskarları, ön şüşədən bir buz qatını qırarkən, çox vaxt bu prosesi çox elmi deyil, çox emosional və canlı epitetlərdən istifadə edərək xarakterizə edirlər. Bu və ya digər şəkildə, iki ölçülü buzun meydana gəlməsinin təfərrüatları uzun illər gizli qaldı. Və bu yaxınlarda ilk dəfə olaraq beynəlxalq alimlər qrupu ikiölçülü buzun əmələ gəlməsi zamanı onun atom quruluşunu təsəvvür edə bildi. Bu sadə görünən fiziki prosesdə hansı sirlər gizlənir, elm adamları onları necə açmağa müvəffəq olub və onların tapıntıları nə dərəcədə faydalıdır? Bu barədə bizə araşdırma qrupunun hesabatı məlumat verəcək. Get.
Tədqiqat bazası
Əgər şişirtsək, demək olar ki, ətrafımızdakı bütün obyektlər üçölçülüdür. Ancaq bəzilərini daha diqqətlə nəzərdən keçirsək, iki ölçülü olanları da tapa bilərik. Bir şeyin səthində əmələ gələn buz qabığı buna bariz nümunədir. Belə strukturların mövcudluğu elmi ictimaiyyətə sirr deyil, çünki onlar dəfələrlə təhlil edilib. Ancaq problem ondadır ki, 2D buzun əmələ gəlməsində iştirak edən metastabil və ya ara strukturları vizuallaşdırmaq olduqca çətindir. Bu, banal problemlərlə bağlıdır - tədqiq olunan strukturların kövrəkliyi və kövrəkliyi.
Xoşbəxtlikdən, müasir skan üsulları nümunələri minimal təsirlə təhlil etməyə imkan verir ki, bu da yuxarıda göstərilən səbəblərə görə qısa müddət ərzində maksimum məlumat əldə etməyə imkan verir. Bu işdə alimlər mikroskop iynəsinin ucu karbon monoksit (CO) ilə örtülmüş təmassız atom qüvvəsi mikroskopundan istifadə ediblər. Bu skan alətlərinin birləşməsi qızıl (Au) səthində yetişdirilmiş ikiölçülü ikiqat altıbucaqlı buzun kənar strukturlarının real vaxt rejimində təsvirlərini əldə etməyə imkan verir.
Mikroskopiya göstərdi ki, iki ölçülü buzun əmələ gəlməsi zamanı onun strukturunda eyni vaxtda iki növ kənar (poliqonun iki təpəsini birləşdirən seqmentlər) var: ziqzaq (ziqzaq) və kreslo şəklində (koltuk).
Nümunə olaraq qrafen istifadə edərək kreslo (solda) və ziqzaq (sağ) kənarları.
Bu mərhələdə nümunələr tez bir zamanda dondurularaq atom quruluşunun ətraflı şəkildə araşdırılmasına şərait yaradıldı. Nəticələri əsasən müşahidə nəticələri ilə üst-üstə düşən modelləşdirmə də aparılmışdır.
Məlum olub ki, ziqzaq qabırğaların əmələ gəlməsi zamanı mövcud kənara əlavə su molekulu əlavə olunur və bütün proses körpü mexanizmi ilə tənzimlənir. Ancaq kreslo qabırğalarının meydana gəlməsi vəziyyətində, iki qatlı altıbucaqlı buzun və ümumiyyətlə iki ölçülü altıbucaqlı maddələrin böyüməsi ilə bağlı ənənəvi fikirlərlə güclü ziddiyyət təşkil edən əlavə molekullar aşkar edilmədi.
Nə üçün elm adamları müşahidələri üçün skan edən tunel mikroskopu (STM) və ya ötürücü elektron mikroskop (TEM) əvəzinə kontaktsız atom qüvvəsi mikroskopunu seçdilər? Artıq bildiyimiz kimi, seçim iki ölçülü buzun qısamüddətli və kövrək strukturlarının öyrənilməsinin çətinliyi ilə bağlıdır. STM əvvəllər müxtəlif səthlərdə yetişən 2D buzları öyrənmək üçün istifadə edilib, lakin bu tip mikroskop nüvələrin vəziyyətinə həssas deyil və onun ucu görüntüləmə xətalarına səbəb ola bilər. TEM, əksinə, qabırğaların atom quruluşunu mükəmməl şəkildə göstərir. Bununla belə, yüksək keyfiyyətli şəkillərin əldə edilməsi yüksək enerjili elektronlar tələb edir ki, bu elektronlar kovalent bağlı XNUMXD materialların kənar strukturunu asanlıqla dəyişdirə və ya hətta məhv edə bilər, XNUMXD buzda daha boş birləşmiş kənarları qeyd etməmək.
Atom qüvvəsi mikroskopunun belə çatışmazlıqları yoxdur və CO ilə örtülmüş uc, su molekullarına minimal təsir göstərərək interfasial suyun öyrənilməsinə imkan verir.
Tədqiqatın nəticələri
Şəkil №1
Au(111) səthində təxminən 120 K temperaturda iki ölçülü buz yetişdirildi və qalınlığı 2.5 Å (1a).
STM buz şəkilləri (1c) və müvafiq sürətli Furye çevrilmə şəkli (daxil edilmiş 1a) Au(111)-√3 x √3-30° dövriliyi ilə düz düzülmüş altıbucaqlı quruluşu göstərin. 2D buzun H-ə bağlı mobil şəbəkəsi STM görüntüsündə görünsə də, kənar strukturların təfərrüatlı topologiyasını müəyyən etmək çətindir. Eyni zamanda, eyni nümunə sahəsinin tezlik sürüşməsi (Δf) olan AFM daha yaxşı şəkillər verdi (1d), bu, strukturun stul formalı və ziqzaq hissələrini vizuallaşdırmağa imkan verdi. Hər iki variantın ümumi uzunluğu müqayisə edilə bilər, lakin sələfi qabırğanın orta uzunluğu bir qədər uzundur (1b). Ziqzaq qabırğaların uzunluğu 60 Å-ə qədər böyüyə bilər, lakin kreslo şəklində olanlar formalaşma zamanı qüsurlarla örtülür, bu da onların maksimum uzunluğunu 10-30 Å-ə qədər azaldır.
Sonra müxtəlif iynə hündürlüklərində sistematik AFM görüntüləmə aparıldı (2a).
Şəkil №2
Ən yüksək uc hündürlüyündə, AFM siqnalı daha yüksək dərəcəli elektrostatik qüvvənin üstünlük təşkil etdiyi zaman, iki ölçülü ikiqat buzda iki dəst √3 x √3 alt qəfəslər müəyyən edildi, bunlardan biri aşağıda göstərilmişdir. 2a (solda).
Daha aşağı iynə hündürlüyündə bu altmassavin parlaq elementləri istiqamət göstərməyə başlayır, digər altmassa V formalı elementə çevrilir (2a, mərkəzləşdirilmiş).
Minimum iynə hündürlüyündə AFM, H bağlarını xatırladan iki alt qəfəsləri birləşdirən aydın xətləri olan pətək quruluşunu ortaya qoyur (2a, sağda).
Sıxlıq funksional nəzəriyyəsi hesablamaları göstərir ki, Au(111) səthində böyüyən ikiölçülü buz bir-birinə bağlanan iki qatlı buz quruluşuna uyğundur (2s), iki düz altıbucaqlı su qatından ibarətdir. İki təbəqənin altıbucaqlıları birləşmişdir və müstəvidəki su molekulları arasındakı bucaq 120 °-dir.
Hər bir su qatında su molekullarının yarısı üfüqi (substrata paralel), digər yarısı isə şaquli (substrata perpendikulyar), bir O–H yuxarı və ya aşağıya doğru uzanır. Bir təbəqədə şaquli uzanan su, digər təbəqədəki üfüqi suya H bağı verir və nəticədə tam doymuş H formalı struktur yaranır.
Dördqütblü (dz 2) ucundan istifadə edərək AFM simulyasiyası (2b) yuxarıdakı modelə əsaslanan eksperimental nəticələrlə yaxşı uyğun gəlir (2a). Təəssüf ki, üfüqi və şaquli suyun oxşar hündürlükləri STM görüntüləmə zamanı onların müəyyən edilməsini çətinləşdirir. Bununla belə, atom qüvvəsi mikroskopiyasından istifadə edərkən hər iki növ suyun molekulları aydın şəkildə fərqlənir (2a и 2b sağ) çünki daha yüksək dərəcəli elektrostatik qüvvə su molekullarının oriyentasiyasına çox həssasdır.
Qırmızı xətlərlə göstərildiyi kimi daha yüksək dərəcəli elektrostatik qüvvələr və Pauli itələyici qüvvələr arasındakı qarşılıqlı təsir vasitəsilə üfüqi və şaquli suyun OH istiqamətini daha da müəyyən etmək mümkün idi. 2a и 2b (Mərkəz).
Şəkil №3
Şəkillərdə 3a и 3b (Mərhələ 1) müvafiq olaraq ziqzaq və kreslo üzgəclərinin böyüdülmüş AFM şəkillərini göstərir. Müəyyən edilmişdir ki, ziqzaq kənarı orijinal quruluşunu saxlayaraq böyüyür və stul formalı kənarın böyüməsi ilə 5756 halqanın dövri strukturunda kənar bərpa olunur, yəni. qabırğa strukturu vaxtaşırı ardıcıllıqla beşbucaqlı təkrar zaman - yedibucaqlı - beşbucaqlı - altıbucaqlı.
Sıxlıq funksional nəzəriyyəsi hesablamaları göstərir ki, yenidən qurulmamış ziqzaq üzgəc və 5756 stul üzgəci ən sabitdir. 5756 kənarı doymamış hidrogen bağlarının sayını minimuma endirən və gərginlik enerjisini azaldan birləşmiş təsirlər nəticəsində əmələ gəlir.
Alimlər xatırladırlar ki, altıbucaqlı buzun bazal müstəviləri adətən ziqzaq qabırğalarla bitir və doymamış hidrogen bağlarının daha yüksək sıxlığı səbəbindən stul formalı qabırğalar yoxdur. Bununla belə, kiçik sistemlərdə və ya yerin məhdud olduğu yerlərdə, kreslo üzgəcləri düzgün yenidən dizayn vasitəsilə enerjilərini azalda bilər.
Daha əvvəl qeyd edildiyi kimi, 120 K-də buz artımı dayandırıldıqda, metastabil və ya keçid kənarı strukturlarını dondurmağa çalışmaq və STM və AFM-dən istifadə edərək ətraflı tədqiqat üçün nisbətən uzun bir nümunə ömrünü təmin etmək üçün nümunə dərhal 5 K-a qədər soyuduldu. Metastabil və keçid strukturlarını aşkar etməyə imkan verən CO-funksionallaşdırılmış mikroskop ucu sayəsində ikiölçülü buzun böyümə prosesini (şəkil No3) yenidən qurmaq da mümkün olmuşdur.
Ziqzaq qabırğalarda bəzən düz qabırğalara yapışdırılmış ayrı-ayrı beşbucaqlılara rast gəlinirdi. Onlar 2 x dövriliyi olan massiv yaradaraq bir sıra düzülə bilərdilər aice (aice ikiölçülü buzun qəfəs sabitidir). Bu müşahidə onu göstərə bilər ki, ziqzaq kənarlarının böyüməsi beşbucaqlıların dövri massivinin əmələ gəlməsi ilə başlanır (3a, addım 1-3), beşbucaq üçün iki su cütünün əlavə edilməsini nəzərdə tutur (qırmızı oxlar).
Sonra, beşbucaqlılar massivi 56665 ( kimi bir quruluş yaratmaq üçün birləşdirilir.3a, mərhələ 4) və sonra daha çox su buxarı əlavə edərək orijinal ziqzaq görünüşünü bərpa edir.
Kreslo formalı kənarlarda vəziyyət əksinədir - beşbucaqlı massivlər yoxdur, əksinə kənarda 5656 kimi qısa boşluqlar olduqca tez-tez müşahidə olunur. 5656 üzgəcinin uzunluğu 5756-dan əhəmiyyətli dərəcədə qısadır. Bunun səbəbi ola bilsin ki, 5656 üzgəci yüksək gərginliyə malikdir və 5756-dan daha az dayanıqlıdır. 5756 kreslo üzgəcindən başlayaraq, 575 üzük iki əlavə etməklə yerli olaraq 656 halqaya çevrilir. su buxarı (3b, mərhələ 2). Sonra, 656 üzük eninə istiqamətdə böyüyərək 5656 tipli bir kənar meydana gətirir (3b, mərhələ 3), lakin deformasiya enerjisinin yığılması səbəbindən məhdud uzunluğa malikdir.
5656 fin altıbucağına bir su cütü əlavə edilərsə, deformasiya qismən zəiflədilə bilər və bu, yenidən 5756 fin əmələ gəlməsinə səbəb olacaq (3b, mərhələ 4).
Yuxarıda göstərilən nəticələr çox göstəricidir, lakin onları Au (111) səthində su buxarının molekulyar dinamika hesablamalarından əldə edilən əlavə məlumatlarla dəstəkləmək qərara alındı.
Müəyyən edilmişdir ki, XNUMXD ikiqatlı buz adaları səthdə uğurla və maneəsiz formalaşmışdır ki, bu da eksperimental müşahidələrimizə uyğundur.
Şəkil №4
Şəkil üzərində 4a Ziqzaq qabırğalar üzərində körpülərin kollektiv formalaşdırılması mexanizmi addım-addım göstərilmişdir.
Aşağıda təsviri ilə bu araşdırma ilə bağlı media materialları verilmişdir.
Media materialı №1
Qeyd etmək lazımdır ki, bir ziqzaq kənarına yapışdırılmış bir beşbucaq böyüməyi təşviq etmək üçün yerli nüvə mərkəzi kimi çıxış edə bilməz.
Media materialı №2
Əvəzində əvvəlcə ziqzaq kənarında dövri, lakin bir-biri ilə əlaqəsi olmayan beşbucaqlılar şəbəkəsi əmələ gəlir və sonradan daxil olan su molekulları kollektiv şəkildə bu beşbucaqları birləşdirməyə cəhd edir və nəticədə 565 tipli zəncir strukturu əmələ gəlir.Təəssüf ki, belə bir quruluş dövr ərzində müşahidə edilməmişdir. praktiki müşahidələrdir ki, bu da onun son dərəcə qısa ömrünü izah edir.
3 və 4 nömrəli media materialı
Bir su cütünün əlavə edilməsi 565 tipli strukturu və ona bitişik beşbucaqlını birləşdirir və nəticədə 5666 tipli struktur əmələ gəlir.
5666 tipli struktur 56665 tipli struktur yaratmaq üçün yana doğru böyüyür və nəticədə tam birləşmiş altıbucaqlı qəfəsə çevrilir.
5 və 6 nömrəli media materialı
Şəkil üzərində 4b artım kreslo qabırğası vəziyyətində göstərilir. 575 tipli halqalardan 656 tipli halqalara çevrilmə alt təbəqədən başlayır və 575/656 kompozit strukturu əmələ gətirir, bu da təcrübələrdə 5756 tipli üzgəcdən fərqləndirilə bilməz, çünki iki qatlı buzun yalnız üst təbəqəsi təsvir edilə bilər. təcrübələr zamanı.
Media materialı №7
Nəticədə meydana gələn körpü 656, 5656 qabırğasının böyüməsi üçün nüvə mərkəzinə çevrilir.
Media materialı №8
5656 kənarına bir su molekulunun əlavə edilməsi yüksək mobil cütləşməmiş molekul quruluşu ilə nəticələnir.
Media materialı №9
Bu qoşalaşmamış su molekullarından ikisi sonradan 5656-dan 5756-ya çevrilməni tamamlayaraq daha sabit yeddibucaqlı strukturda birləşə bilər.
Tədqiqatın nüansları ilə daha ətraflı tanış olmaq üçün baxmağı məsləhət görürəm .
Epiloq
Bu tədqiqatın əsas nəticəsi ondan ibarətdir ki, böyümə zamanı strukturların müşahidə olunan davranışı bütün iki ölçülü buz növləri üçün ümumi ola bilər. İkiqat altıbucaqlı buz müxtəlif hidrofobik səthlərdə və hidrofobik qapalı şəraitdə əmələ gəlir və buna görə də formalaşması substratın əsas strukturuna həssas olmayan ayrıca 2D kristal (2D buz I) kimi qəbul edilə bilər.
Alimlər vicdanla deyirlər ki, onların təsvir texnikası hələ üçölçülü buzla işləmək üçün uyğun deyil, lakin ikiölçülü buzun öyrənilməsinin nəticələri onun həcmli nisbi formalaşma prosesini izah etmək üçün əsas ola bilər. Başqa sözlə, iki ölçülü strukturların necə əmələ gəldiyini başa düşmək üçölçülü olanları öyrənmək üçün vacib bir təməldir. Məhz bu məqsədlə tədqiqatçılar gələcəkdə öz metodologiyasını təkmilləşdirməyi planlaşdırırlar.
Oxuduğunuz üçün təşəkkür edirik, maraqlı qalın və gözəl həftə keçirin uşaqlar. 🙂
Bəzi reklamlar 🙂
Bizimlə qaldığınız üçün təşəkkür edirik. Məqalələrimiz xoşunuza gəlirmi? Daha maraqlı məzmun görmək istəyirsiniz? Sifariş verməklə və ya dostlarınıza tövsiyə etməklə bizə dəstək olun, , Sizin üçün bizim tərəfimizdən icad edilmiş giriş səviyyəli serverlərin unikal analoqu: (RAID1 və RAID10, 24 nüvəyə qədər və 40 GB DDR4 ilə mövcuddur).
Dell R730xd Amsterdamdakı Equinix Tier IV məlumat mərkəzində 2 dəfə ucuzdur? Yalnız burada Hollandiyada! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 dollardan! haqqında oxuyun
Mənbə: www.habr.com