Svi znaju da se voda javlja u tri agregatna stanja. Stavljamo kotlić, a voda počinje da ključa i isparava, pretvarajući se iz tečne u gasovitu. Stavljamo ga u zamrzivač i počinje se pretvarati u led, prelazeći tako iz tekućeg u čvrsto stanje. Međutim, pod određenim okolnostima, vodena para prisutna u vazduhu može odmah preći u čvrstu fazu, zaobilazeći tečnu fazu. Ovaj proces poznajemo po rezultatu - prekrasnim šarama na prozorima u mraznom zimskom danu. Ljubitelji automobila, kada stružu sloj leda s vjetrobranskog stakla, često karakteriziraju ovaj proces koristeći ne baš naučne, ali vrlo emotivne i živopisne epitete. Na ovaj ili onaj način, detalji formiranja dvodimenzionalnog leda dugi su niz godina bili obavijeni velom tajne. Nedavno je, po prvi put, međunarodni tim naučnika bio u mogućnosti da vizualizuje atomsku strukturu dvodimenzionalnog leda tokom njegovog formiranja. Koje se tajne kriju u ovom naizgled jednostavnom fizičkom procesu, kako su ih naučnici uspjeli otkriti i kako su njihova otkrića korisna? O tome će nam reći izvještaj istraživačke grupe. Idi.
Osnova istraživanja
Ako pretjeramo, onda su gotovo svi objekti oko nas trodimenzionalni. Međutim, ako neke od njih detaljnije razmotrimo, možemo pronaći i dvodimenzionalne. Kora leda koja se formira na površini nečega je odličan primjer za to. Postojanje ovakvih struktura nije tajna za naučnu zajednicu, jer su više puta analizirane. Ali problem je u tome što je prilično teško vizualizirati metastabilne ili srednje strukture uključene u formiranje 2D leda. To je zbog banalnih problema - krhkosti i krhkosti struktura koje se proučavaju.
Na sreću, savremene metode skeniranja omogućavaju analizu uzoraka uz minimalan uticaj, što omogućava da se dobiju maksimalni podaci u kratkom vremenskom periodu, zbog gore navedenih razloga. U ovoj studiji, naučnici su koristili mikroskopiju bez kontakta atomskom silom, sa vrhom igle mikroskopa obloženim ugljen monoksidom (CO). Kombinacija ovih alata za skeniranje omogućava da se u realnom vremenu dobiju slike rubnih struktura dvodimenzionalnog dvoslojnog heksagonalnog leda uzgojenog na zlatnoj (Au) površini.
Mikroskopija je pokazala da tokom formiranja dvodimenzionalnog leda u njegovoj strukturi istovremeno koegzistiraju dvije vrste ivica (segmenata koji povezuju dva vrha poligona): cik-cak (zigzag) i u obliku stolice (fotelja).
Ivice fotelje (lijevo) i cik-cak (desno) na primjeru grafena.
U ovoj fazi, uzorci su brzo zamrznuti, što je omogućilo detaljno ispitivanje strukture atoma. Provedeno je i modeliranje čiji su se rezultati u velikoj mjeri poklopili sa rezultatima opservacije.
Utvrđeno je da se u slučaju formiranja cik-cak rebara na postojeći rub dodaje dodatna molekula vode, a cijeli proces regulira mehanizam premošćavanja. Ali u slučaju formiranja rebara fotelje, nisu otkriveni dodatni molekuli, što je u velikoj suprotnosti s tradicionalnim idejama o rastu dvoslojnog heksagonalnog leda i dvodimenzionalnih heksagonalnih supstanci općenito.
Zašto su naučnici za svoja posmatranja odabrali beskontaktni mikroskop atomske sile, a ne skenirajući tunelski mikroskop (STM) ili transmisijski elektronski mikroskop (TEM)? Kao što već znamo, izbor je vezan za teškoće proučavanja kratkotrajnih i krhkih struktura dvodimenzionalnog leda. STM se ranije koristio za proučavanje 2D leda uzgojenog na različitim površinama, ali ovaj tip mikroskopa nije osjetljiv na položaj jezgara, a njegov vrh može uzrokovati greške u slikanju. TEM, naprotiv, savršeno pokazuje atomsku strukturu rebara. Međutim, za dobivanje visokokvalitetnih slika potrebni su elektroni visoke energije, koji mogu lako promijeniti ili čak uništiti strukturu rubova kovalentno vezanih XNUMXD materijala, a da ne spominjemo labavije vezane rubove u XNUMXD ledu.
Mikroskop atomske sile nema takve nedostatke, a vrh obložen CO omogućava proučavanje vode na međufaznoj površini uz minimalan utjecaj na molekule vode.
Rezultati studije
Slika #1
Dvodimenzionalni led je uzgajan na površini Au(111) na temperaturi od oko 120 K, a debljina mu je bila 2.5 Å (1a).
STM slike leda (1c) i odgovarajuću sliku brze Fourierove transformacije (umetnuta u 1a) pokazuju dobro uređenu heksagonalnu strukturu sa periodičnošću od Au(111)-√3 x √3-30°. Iako je ćelijska H-povezana mreža 2D leda vidljiva na STM slici, detaljnu topologiju rubnih struktura je teško odrediti. Istovremeno, AFM sa pomakom frekvencije (Δf) iste površine uzorka dao je bolje slike (1d), što je omogućilo vizualizaciju presjeka konstrukcije u obliku stolice i cik-cak. Ukupna dužina obe varijante je uporediva, ali je prosečna dužina rebra prethodnika nešto duža (1b). Cik-cak rebra mogu narasti do 60 Å u dužinu, ali ona u obliku stolice postaju prekrivena defektima tokom formiranja, što njihovu maksimalnu dužinu smanjuje na 10-30 Å.
Zatim je izvedeno sistematsko AFM snimanje na različitim visinama igle (2a).
Slika #2
Na najvišoj visini vrha, kada AFM signalom dominira elektrostatička sila višeg reda, identificirana su dva seta podrešeta √3 x √3 u dvodimenzionalnom dvoslojnom ledu, od kojih je jedna prikazana na 2a (levo).
Na nižim visinama igle, svijetli elementi ovog podniza počinju pokazivati usmjerenost, a drugi podniz se pretvara u element u obliku slova V (2a, centriran).
Na minimalnoj visini igle, AFM otkriva strukturu saća sa jasnim linijama koje povezuju dvije podrešetke, koje podsjećaju na H-veze (2a, desno).
Proračuni teorije funkcionalne gustoće pokazuju da dvodimenzionalni led koji raste na površini Au(111) odgovara međusobno povezanim dvoslojnim strukturama leda (2c), koji se sastoji od dva ravna heksagonalna sloja vode. Šestouglovi dvaju listova su konjugirani, a ugao između molekula vode u ravni je 120°.
U svakom sloju vode polovina molekula vode leži horizontalno (paralelno sa podlogom), a druga polovina leži okomito (upravno na podlogu), s jednim O–H usmjerenim prema gore ili dolje. Voda koja se vertikalno leži u jednom sloju daje H-vezu horizontalnoj vodi u drugom sloju, što rezultira potpuno zasićenom strukturom u obliku slova H.
AFM simulacija pomoću kvadrupolnog (dz 2) vrha (2b) na osnovu gore navedenog modela dobro se slaže sa eksperimentalnim rezultatima (2a). Nažalost, slične visine horizontalne i vertikalne vode otežavaju njihovu identifikaciju tokom STM snimanja. Međutim, kada se koristi mikroskopija atomske sile, molekule obje vrste vode se jasno razlikuju (2a и 2b desno) jer je elektrostatička sila višeg reda vrlo osjetljiva na orijentaciju molekula vode.
Također je bilo moguće dalje odrediti OH usmjerenost horizontalne i vertikalne vode kroz interakciju između elektrostatičkih sila višeg reda i Paulijevih odbojnih sila, kao što je prikazano crvenim linijama u 2a и 2b (centar).
Slika #3
Na slikama 3a и 3b (Faza 1) prikazuje uvećane AFM slike cik-cak peraja i peraja fotelje, respektivno. Utvrđeno je da cik-cak ivica raste zadržavajući prvobitnu strukturu, a sa rastom ruba u obliku stolice, rub se obnavlja u periodičnoj strukturi od 5756 prstenova, tj. kada struktura rebara periodično ponavlja sekvencu peterokut - sedmerokut - petougao - šesterokut.
Proračuni teorije funkcionalne gustoće pokazuju da su nerekonstruirano cik-cak peraje i peraje stolice 5756 najstabilnije. Rub 5756 nastaje kao rezultat kombinovanih efekata koji minimiziraju broj nezasićenih vodikovih veza i smanjuju energiju deformacije.
Naučnici podsjećaju da se bazalne ravni heksagonalnog leda obično završavaju cik-cak rebrima, a rebra u obliku stolice su odsutna zbog veće gustoće nezasićenih vodikovih veza. Međutim, u malim sistemima ili gdje je prostor ograničen, peraja stolice mogu smanjiti svoju energiju pravilnim redizajniranjem.
Kao što je ranije spomenuto, kada je rast leda na 120 K bio zaustavljen, uzorak je odmah ohlađen na 5 K kako bi se pokušale zamrznuti metastabilne ili prelazne ivice strukture i osigurao relativno dug vijek trajanja uzorka za detaljno proučavanje korištenjem STM i AFM. Također je bilo moguće rekonstruirati proces rasta dvodimenzionalnog leda (slika br. 3) zahvaljujući vrhu mikroskopa funkcionaliziranog CO, koji je omogućio detekciju metastabilnih i prijelaznih struktura.
U slučaju cik-cak rebara, pojedini pentagoni su ponekad pronađeni pričvršćeni za ravna rebra. Mogli su se poredati u niz, formirajući niz sa periodičnosti od 2 x aice (aice je konstanta rešetke dvodimenzionalnog leda). Ovo zapažanje može ukazivati na to da je rast cik-cak ivica iniciran formiranjem periodičnog niza pentagona (3a, korak 1-3), koji uključuje dodavanje dva vodena para za pentagon (crvene strelice).
Zatim, niz pentagona je povezan da formira strukturu poput 56665 (3a, faza 4), a zatim vraća originalni cik-cak izgled dodavanjem više vodene pare.
Kod rubova u obliku stolice situacija je suprotna - nema nizova peterokuta, već se često uočavaju kratke praznine poput 5656 na rubu. Dužina peraje 5656 je znatno kraća od one kod 5756. To je vjerovatno zato što je peraje 5656 pod velikim opterećenjem i manje stabilno od 5756. Počevši od peraje 5756, 575 prstenova se lokalno pretvara u 656 prstenova dodavanjem dva vodena para (3b, faza 2). Zatim, 656 prstenova raste u poprečnom smjeru, formirajući rub tipa 5656 (3b, faza 3), ali ograničene dužine zbog akumulacije energije deformacije.
Ako se jedan vodeni par doda šesterokutu peraje 5656, deformacija može biti djelomično oslabljena, a to će opet dovesti do formiranja peraje 5756 (3b, faza 4).
Navedeni rezultati su vrlo indikativni, ali je odlučeno da ih potkrijepimo dodatnim podacima dobivenim iz proračuna molekularne dinamike vodene pare na površini Au (111).
Utvrđeno je da su XNUMXD dvoslojna ledena ostrva formirana uspješno i nesmetano na površini, što je u skladu s našim eksperimentalnim zapažanjima.
Slika #4
Na slici 4a Korak po korak prikazan je mehanizam kolektivnog formiranja mostova na cik-cak rebrima.
U nastavku su medijski materijali o ovoj studiji sa opisom.
Medijski materijal br.1
Vrijedi napomenuti da jedan pentagon pričvršćen na cik-cak ivicu ne može djelovati kao lokalni nukleacijski centar koji promovira rast.
Medijski materijal br.2
Umjesto toga, periodična, ali nepovezana mreža peterokuta se u početku formira na cik-cak rubu, a naknadni dolazni molekuli vode zajednički pokušavaju povezati ove peterokute, što rezultira formiranjem strukture lanaca tipa 565. Nažalost, takva struktura nije uočena tokom praktičnih posmatranja, što objašnjava njegov izuzetno kratak životni vek.
Medijski materijal br.3 i br.4
Dodavanje jednog vodenog para povezuje strukturu tipa 565 i susjedni pentagon, što rezultira formiranjem strukture tipa 5666.
Struktura tipa 5666 raste bočno i formira strukturu tipa 56665 i na kraju se razvija u potpuno povezanu heksagonalnu rešetku.
Medijski materijal br.5 i br.6
Na slici 4b rast je prikazan u slučaju rebra fotelje. Pretvaranje prstenova tipa 575 u prstenove tipa 656 počinje od donjeg sloja, formirajući kompozitnu strukturu 575/656 koja se u eksperimentima ne može razlikovati od peraja tipa 5756, jer se može snimiti samo gornji sloj dvoslojnog leda. tokom eksperimenata.
Medijski materijal br.7
Rezultirajući most 656 postaje nukleacijski centar za rast 5656 rebra.
Medijski materijal br.8
Dodavanje jedne molekule vode rubu 5656 rezultira visoko pokretnom strukturom nesparenih molekula.
Medijski materijal br.9
Dvije od ovih nesparenih molekula vode mogu se naknadno spojiti u stabilniju heptagonalnu strukturu, dovršavajući konverziju od 5656 do 5756.
Za detaljnije upoznavanje sa nijansama studije, preporučujem da pogledate .
Epilog
Glavni zaključak ove studije je da uočeno ponašanje struktura tokom rasta može biti zajedničko za sve vrste dvodimenzionalnog leda. Dvoslojni heksagonalni led se formira na različitim hidrofobnim površinama i pod uslovima hidrofobnog zatvaranja, te se stoga može smatrati zasebnim 2D kristalom (2D led I), čije je formiranje neosjetljivo na osnovnu strukturu supstrata.
Naučnici iskreno kažu da njihova tehnika snimanja još nije prikladna za rad sa trodimenzionalnim ledom, ali rezultati proučavanja dvodimenzionalnog leda mogu poslužiti kao osnova za objašnjenje procesa formiranja njegovog volumetrijskog srodnika. Drugim riječima, razumijevanje kako se formiraju dvodimenzionalne strukture važan je temelj za proučavanje trodimenzionalnih struktura. Upravo u tu svrhu istraživači planiraju poboljšati svoju metodu u budućnosti.
Hvala na čitanju, ostanite radoznali i ugodnu sedmicu momci. 🙂
Neke reklame 🙂
Hvala vam što ste ostali s nama. Da li vam se sviđaju naši članci? Želite li vidjeti još zanimljivih sadržaja? Podržite nas naručivanjem ili preporukom prijateljima, , jedinstveni analog servera početnog nivoa, koji smo mi izmislili za vas: (dostupno sa RAID1 i RAID10, do 24 jezgra i do 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 puta jeftiniji u Equinix Tier IV data centru u Amsterdamu? Samo ovdje u Holandiji! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - od 99 USD! Pročitajte o
izvor: www.habr.com