Tothom sap que l'aigua es presenta en tres estats d'agregació. Posem la tetera, i l'aigua comença a bullir i a evaporar-se, passant de líquida a gasosa. El posem al congelador i comença a convertir-se en gel, passant d'un estat líquid a un estat sòlid. No obstant això, en determinades circumstàncies, el vapor d'aigua present a l'aire pot passar immediatament a la fase sòlida, evitant la fase líquida. Coneixem aquest procés pel seu resultat: bells patrons a les finestres en un dia gelós d'hivern. Els entusiastes dels cotxes, en raspar una capa de gel del parabrisa, sovint caracteritzen aquest procés utilitzant epítets poc científics, però molt emotius i vius. D'una manera o d'una altra, els detalls de la formació del gel bidimensional van estar envoltats en secret durant molts anys. I recentment, per primera vegada, un equip internacional de científics va poder visualitzar l'estructura atòmica del gel bidimensional durant la seva formació. Quins secrets s'amaguen en aquest procés físic aparentment senzill, com van aconseguir descobrir-los els científics i com són útils les seves troballes? L'informe del grup de recerca ens ho explicarà. Vés.
Base de recerca
Si exagerem, pràcticament tots els objectes que ens envolten són tridimensionals. Tanmateix, si considerem alguns d'ells amb més minuciositat, també podem trobar-ne de bidimensionals. Una escorça de gel que es forma a la superfície d'alguna cosa és un bon exemple d'això. L'existència d'aquestes estructures no és un secret per a la comunitat científica, perquè han estat analitzades moltes vegades. Però el problema és que és bastant difícil visualitzar estructures metaestables o intermèdies implicades en la formació de gel 2D. Això es deu a problemes banals: la fragilitat i fragilitat de les estructures que s'estudien.
Afortunadament, els mètodes d'escaneig moderns permeten analitzar mostres amb un impacte mínim, la qual cosa permet obtenir el màxim de dades en un curt període de temps, per les raons anteriors. En aquest estudi, els científics van utilitzar microscòpia de força atòmica sense contacte, amb la punta de l'agulla del microscopi recoberta de monòxid de carboni (CO). La combinació d'aquestes eines d'escaneig permet obtenir imatges en temps real de les estructures de vora del gel hexagonal bicapa bidimensional que creix sobre una superfície d'or (Au).
La microscòpia ha demostrat que durant la formació del gel bidimensional, en la seva estructura coexisteixen simultàniament dos tipus d'arestes (segments que connecten dos vèrtexs d'un polígon): ziga-zaga (ziga-zaga) i en forma de cadira (butaca).
Butaca (esquerra) i vores en ziga-zaga (dreta) utilitzant grafè com a exemple.
En aquesta etapa, les mostres es van congelar ràpidament, la qual cosa va permetre examinar en detall l'estructura atòmica. També es va realitzar un modelatge, els resultats del qual van coincidir en gran part amb els resultats observacionals.
Es va trobar que en el cas de la formació de costelles en ziga-zaga, s'afegeix una molècula d'aigua addicional a la vora existent i tot el procés està regulat pel mecanisme de pont. Però en el cas de la formació de costelles de butaca, no es van detectar molècules addicionals, cosa que contrasta fortament amb les idees tradicionals sobre el creixement de gel hexagonal de dues capes i substàncies hexagonals bidimensionals en general.
Per què els científics van triar un microscopi de força atòmica sense contacte per a les seves observacions en lloc d'un microscopi de túnel d'escaneig (STM) o un microscopi electrònic de transmissió (TEM)? Com ja sabem, l'elecció està relacionada amb la dificultat d'estudiar les estructures fràgils i de curta durada del gel bidimensional. Anteriorment, l'STM s'ha utilitzat per estudiar gels 2D cultivats en diverses superfícies, però aquest tipus de microscopi no és sensible a la posició dels nuclis i la seva punta pot provocar errors d'imatge. TEM, per contra, mostra perfectament l'estructura atòmica de les costelles. Tanmateix, l'obtenció d'imatges d'alta qualitat requereix electrons d'alta energia, que poden canviar fàcilment o fins i tot destruir l'estructura de vora dels materials XNUMXD enllaçats de manera covalent, per no parlar de les vores més fluixes del gel XNUMXD.
Un microscopi de força atòmica no té aquests inconvenients, i una punta recoberta de CO permet l'estudi de l'aigua interfacial amb una influència mínima sobre les molècules d'aigua.
Resultats de l'estudi
Imatge #1
El gel bidimensional es va fer créixer a la superfície Au(111) a una temperatura d'uns 120 K, i el seu gruix era de 2.5 Å (1a).
Imatges STM de gel (1c) i la corresponent imatge de transformada ràpida de Fourier (insert a 1a) mostren una estructura hexagonal ben ordenada amb una periodicitat de Au(111)-√3 x √3-30°. Tot i que la xarxa cel·lular connectada en H de gel 2D és visible a la imatge STM, la topologia detallada de les estructures de vora és difícil de determinar. Al mateix temps, AFM amb un desplaçament de freqüència (Δf) de la mateixa àrea de mostra va donar millors imatges (1d), que va permetre visualitzar seccions de l'estructura en forma de cadira i en ziga-zaga. La longitud total d'ambdues variants és comparable, però la longitud mitjana de la costella predecessora és lleugerament més llarga (1b). Les costelles en zig-zag poden créixer fins a 60 Å de longitud, però les en forma de cadira es cobreixen de defectes durant la formació, la qual cosa redueix la seva longitud màxima a 10-30 Å.
A continuació, es va realitzar una imatge AFM sistemàtica a diferents alçades d'agulla (2a).
Imatge #2
A l'alçada de la punta més alta, quan el senyal AFM està dominat per una força electrostàtica d'ordre superior, es van identificar dos conjunts de subreticules √3 x √3 en gel de bicapa bidimensional, un dels quals es mostra a 2a (esquerra).
A les altures de les agulles més baixes, els elements brillants d'aquest subbarrat comencen a mostrar direccionalitat i l'altre subbarrat es converteix en un element en forma de V (2a, centrat).
A l'alçada mínima de l'agulla, l'AFM revela una estructura de bresca amb línies clares que connecten dues subretes, que recorden els enllaços H (2a, a la dreta).
Els càlculs de la teoria funcional de la densitat mostren que el gel bidimensional que creix a la superfície Au(111) correspon a una estructura de gel de dues capes entrellaçada (2 s), format per dues capes planes d'aigua hexagonals. Els hexàgons de les dues làmines estan conjugats i l'angle entre les molècules d'aigua del pla és de 120°.
A cada capa d'aigua, la meitat de les molècules d'aigua es troben horitzontalment (paral·lel al substrat) i l'altra meitat verticalment (perpendicular al substrat), amb un O–H apuntant cap amunt o cap avall. L'aigua que es troba verticalment en una capa dona un enllaç H a l'aigua horitzontal d'una altra capa, donant lloc a una estructura en forma de H totalment saturada.
Simulació AFM utilitzant una punta de quadrupol (dz 2) (2b) basat en el model anterior està d'acord amb els resultats experimentals (2a). Malauradament, les altures similars de l'aigua horitzontal i vertical dificulten la seva identificació durant la imatge STM. Tanmateix, quan s'utilitza la microscòpia de força atòmica, les molècules d'ambdós tipus d'aigua es poden distingir clarament (2a и 2b dreta) perquè la força electrostàtica d'ordre superior és molt sensible a l'orientació de les molècules d'aigua.
També va ser possible determinar encara més la direccionalitat OH de l'aigua horitzontal i vertical mitjançant la interacció entre les forces electrostàtiques d'ordre superior i les forces repulsives de Pauli, tal com mostren les línies vermelles a 2a и 2b (centre).
Imatge #3
A les imatges 3a и 3b (Etapa 1) mostra imatges AFM ampliades d'aletes en ziga-zaga i de butaca, respectivament. Es va trobar que la vora en ziga-zaga creix mantenint la seva estructura original, i amb el creixement de la vora en forma de cadira, la vora es restaura en l'estructura periòdica de 5756 anells, és a dir. quan l'estructura de les costelles repeteix periòdicament la seqüència pentàgon - heptàgon - pentàgon - hexàgon.
Els càlculs de la teoria funcional de la densitat mostren que l'aleta en ziga-zaga no reconstruïda i l'aleta de cadira 5756 són les més estables. La vora 5756 es forma com a resultat d'efectes combinats que minimitzen el nombre d'enllaços d'hidrogen insaturats i redueixen l'energia de tensió.
Els científics recorden que els plans basals del gel hexagonal solen acabar en costelles en ziga-zaga, i les costelles en forma de cadira estan absents a causa de la major densitat d'enllaços d'hidrogen insaturats. Tanmateix, en sistemes petits o on l'espai és limitat, les aletes de la cadira poden reduir la seva energia mitjançant un redisseny adequat.
Com s'ha esmentat anteriorment, quan es va aturar el creixement del gel a 120 K, la mostra es va refredar immediatament a 5 K per intentar congelar estructures metaestables o de vora de transició i garantir una vida de mostra relativament llarga per a un estudi detallat mitjançant STM i AFM. També es va poder reconstruir el procés de creixement del gel bidimensional (imatge núm. 3) gràcies a la punta del microscopi funcionalitzada amb CO, que va permetre detectar estructures metaestables i de transició.
En el cas de les costelles en ziga-zaga, de vegades es trobaven pentàgons individuals units a les costelles rectes. Es podrien alinear en fila, formant una matriu amb una periodicitat de 2 x aix (aix és la constant de gelosia del gel bidimensional). Aquesta observació pot indicar que el creixement de les vores en ziga-zaga s'inicia per la formació d'una matriu periòdica de pentàgons (3a, pas 1-3), que implica afegir dos parells d'aigua per al pentàgon (fletxes vermelles).
A continuació, la matriu de pentàgons es connecta per formar una estructura com 56665 (3a, etapa 4), i després restaura l'aspecte original en ziga-zaga afegint més vapor d'aigua.
Amb les vores en forma de cadira, la situació és la contrària: no hi ha matrius de pentàgons, però sovint s'observen buits curts com el 5656 a la vora. La longitud de l'aleta 5656 és significativament més curta que la de la 5756. Això és possiblement perquè l'aleta 5656 està molt tensa i menys estable que la 5756. Començant amb l'aleta de cadira 5756, 575 anells es converteixen localment en 656 anells afegint-ne dos. vapor d'aigua (3b, etapa 2). A continuació, els 656 anells creixen en direcció transversal, formant una vora del tipus 5656 (3b, etapa 3), però amb una longitud limitada a causa de l'acumulació d'energia de deformació.
Si s'afegeix un parell d'aigua a l'hexàgon d'una aleta 5656, la deformació es pot debilitar parcialment, i això tornarà a donar lloc a la formació d'una aleta 5756 (3b, etapa 4).
Els resultats anteriors són molt indicatius, però es va decidir recolzar-los amb dades addicionals obtingudes dels càlculs de dinàmica molecular del vapor d'aigua a la superfície Au (111).
Es va trobar que les illes de gel de doble capa XNUMXD es van formar amb èxit i sense obstacles a la superfície, cosa que és coherent amb les nostres observacions experimentals.
Imatge #4
A la imatge 4a El mecanisme de formació col·lectiva de ponts sobre costelles en ziga-zaga es mostra pas a pas.
A continuació es mostren materials mediàtics sobre aquest estudi amb una descripció.
Material mediàtic núm. 1
Val la pena assenyalar que un únic pentàgon unit a una vora en ziga-zaga no pot actuar com a centre de nucleació local per promoure el creixement.
Material mediàtic núm. 2
En canvi, una xarxa periòdica però no connectada de pentàgons es forma inicialment a la vora en ziga-zaga, i les molècules d'aigua entrants posteriors intenten col·lectivament connectar aquests pentàgons, donant lloc a la formació d'una estructura de cadenes de tipus 565. Malauradament, aquesta estructura no s'ha observat. durant les observacions pràctiques, la qual cosa explica la seva vida útil extremadament curta.
Material mediàtic núm.3 i núm.4
L'addició d'un parell d'aigua connecta l'estructura de tipus 565 i el pentàgon adjacent, donant lloc a la formació de l'estructura de tipus 5666.
L'estructura de tipus 5666 creix lateralment per formar l'estructura de tipus 56665 i, finalment, es desenvolupa en una gelosia hexagonal totalment connectada.
Material mediàtic núm.5 i núm.6
A la imatge 4b el creixement es mostra en el cas d'una costella de butaca. La conversió d'anells de tipus 575 a anells de tipus 656 comença des de la capa inferior, formant una estructura composta 575/656 que no es pot distingir d'una aleta tipus 5756 en els experiments, ja que només es pot visualitzar la capa superior del gel de dues capes. durant els experiments.
Material mediàtic núm. 7
El pont 656 resultant es converteix en el centre de nucleació per al creixement de la costella 5656.
Material mediàtic núm. 8
L'addició d'una molècula d'aigua a una vora 5656 dóna com a resultat una estructura de molècules no aparellades altament mòbil.
Material mediàtic núm. 9
Dues d'aquestes molècules d'aigua no aparellades es poden combinar posteriorment en una estructura heptagonal més estable, completant la conversió de 5656 a 5756.
Per a un coneixement més detallat dels matisos de l'estudi, recomano mirar .
Epíleg
La principal conclusió d'aquest estudi és que el comportament observat de les estructures durant el creixement pot ser comú a tots els tipus de gel bidimensional. El gel hexagonal bicapa es forma a diverses superfícies hidròfobes i en condicions de confinament hidròfob i, per tant, es pot considerar com un cristall 2D separat (gel 2D I), la formació del qual és insensible a l'estructura subjacent del substrat.
Els científics diuen sincerament que la seva tècnica d'imatge encara no és adequada per treballar amb gel tridimensional, però els resultats de l'estudi del gel bidimensional poden servir de base per explicar el procés de formació del seu parent volumètric. En altres paraules, entendre com es formen les estructures bidimensionals és una base important per estudiar-ne les tridimensionals. És amb aquest propòsit que els investigadors tenen previst millorar la seva metodologia en el futur.
Gràcies per llegir, sigueu curiosos i passeu una bona setmana nois. 🙂
Alguns anuncis 🙂
Gràcies per quedar-te amb nosaltres. T'agraden els nostres articles? Vols veure més contingut interessant? Doneu-nos suport fent una comanda o recomanant als amics, , un anàleg únic dels servidors d'entrada, que vam inventar per a vosaltres: (disponible amb RAID1 i RAID10, fins a 24 nuclis i fins a 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 vegades més barat al centre de dades Equinix Tier IV a Amsterdam? Només aquí als Països Baixos! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - a partir de 99 $! Llegeix sobre
Font: www.habr.com