Mga sumbanan sa bintana o ang hampak sa mga motorista: kung giunsa ang pagtubo sa duha ka dimensiyon nga yelo

Nahibal-an sa tanan nga ang tubig mahitabo sa tulo ka mga estado sa panagsama. Gibutang namon ang kettle, ug ang tubig nagsugod sa pagbukal ug pag-alisngaw, gikan sa likido ngadto sa gas. Gibutang namon kini sa freezer, ug nagsugod kini nga mahimong yelo, sa ingon molihok gikan sa usa ka likido hangtod sa usa ka solidong kahimtang. Bisan pa, ubos sa pipila ka mga kahimtang, ang alisngaw sa tubig nga anaa sa hangin mahimo dayon nga moagi sa solidong bahin, nga molabay sa likido nga bahin. Nahibal-an namon kini nga proseso pinaagi sa sangputanan niini - matahum nga mga sumbanan sa mga bintana sa usa ka tugnaw nga adlaw sa tingtugnaw. Ang mga mahiligon sa sakyanan, sa dihang nag-scrape sa usa ka layer sa yelo gikan sa windshield, kanunay nga nagpaila niini nga proseso gamit ang dili kaayo siyentipiko, apan emosyonal ug tin-aw nga mga epithets. Sa usa ka paagi o sa lain, ang mga detalye sa pagporma sa duha-ka-dimensional nga yelo gitagoan sa daghang katuigan. Ug karong bag-o, sa unang higayon, ang usa ka internasyonal nga grupo sa mga siyentipiko nakahimo sa paghanduraw sa atomic nga istruktura sa duha-ka-dimensional nga yelo sa panahon sa pagkaporma niini. Unsang mga sekreto ang gitago niining morag yano nga pisikal nga proseso, sa unsang paagi ang mga siyentista nakahimo sa pagbutyag niini, ug sa unsang paagi mapuslanon ang ilang mga kaplag? Ang taho sa grupo sa panukiduki magsulti kanamo bahin niini. Lakaw.

Basihan sa panukiduki

Kon kita magpasobra, nan halos tanang butang sa atong palibot kay tulo ka dimensyon. Bisan pa, kung atong tagdon ang pipila niini nga labi ka mabinantayon, mahimo usab naton makit-an ang duha ka dimensyon. Ang usa ka crust sa yelo nga naporma sa ibabaw sa usa ka butang mao ang usa ka pangunang pananglitan niini. Ang paglungtad sa ingon nga mga istruktura dili sekreto sa siyentipikanhong komunidad, tungod kay kini gisusi sa daghang mga higayon. Apan ang problema mao nga lisud ang paghanduraw sa metatable o intermediate nga mga istruktura nga nalambigit sa pagporma sa 2D nga yelo. Kini tungod sa banal nga mga problema - ang kahuyang ug kahuyang sa mga istruktura nga gitun-an.

Maayo na lang, ang modernong mga pamaagi sa pag-scan nagtugot sa mga sampol nga masusi nga adunay gamay nga epekto, nga nagtugot sa labing kadaghan nga datos nga makuha sa mubo nga panahon, tungod sa mga hinungdan sa ibabaw. Niini nga pagtuon, gigamit sa mga siyentista ang non-contact atomic force microscopy, nga ang tumoy sa dagom sa mikroskopyo giputos sa carbon monoxide (CO). Ang kombinasyon niining mga galamiton sa pag-scan nagpaposible sa pagkuha sa tinuod nga panahon nga mga hulagway sa mga istruktura sa ngilit sa duha ka dimensyon nga bilayer hexagonal nga yelo nga gipatubo sa usa ka bulawan (Au) nga nawong.

Gipakita sa mikroskopyo nga sa panahon sa pagporma sa duha ka dimensyon nga yelo, duha ka matang sa mga ngilit (mga bahin nga nagkonektar sa duha ka vertices sa usa ka polygon) dungan nga nag-uban sa istruktura niini: zigzag (zigzag) ug pormag lingkoranan (lingkoranan nga gisulud sa bukton).

Armchair (wala) ug zigzag (tuo) nga mga kilid gamit ang graphene isip pananglitan.

Niini nga yugto, ang mga sample dali nga nagyelo, nga nagtugot sa atomic nga istruktura nga masusi sa detalye. Gihimo usab ang pagmodelo, nga ang mga resulta sa kadaghanan nahiuyon sa mga resulta sa obserbasyon.

Nakaplagan nga sa kaso sa pagporma sa zigzag ribs, usa ka dugang nga molekula sa tubig ang idugang sa kasamtangan nga ngilit, ug ang tibuok nga proseso gi-regulate sa mekanismo sa pag-bridging. Apan sa kaso sa pagporma sa mga gusok sa armchair, wala'y dugang nga mga molekula nga nakit-an, nga kusganong sukwahi sa tradisyonal nga mga ideya mahitungod sa pagtubo sa duha ka layer nga hexagonal nga yelo ug duha ka dimensiyon nga hexagonal nga mga substansiya sa kinatibuk-an.

Ngano nga gipili sa mga siyentista ang non-contact atomic force microscope para sa ilang mga obserbasyon kaysa scanning tunneling microscope (STM) o transmission electron microscope (TEM)? Sama sa nahibal-an na nato, ang pagpili adunay kalabutan sa kalisud sa pagtuon sa mubo nga kinabuhi ug mahuyang nga mga istruktura sa duha ka dimensyon nga yelo. Ang STM kaniadto gigamit sa pagtuon sa 2D nga mga yelo nga gipatubo sa lainlaing mga ibabaw, apan kini nga matang sa mikroskopyo dili sensitibo sa posisyon sa nuclei, ug ang tumoy niini mahimong hinungdan sa mga sayup sa imaging. Ang TEM, sa sukwahi, hingpit nga nagpakita sa atomic nga istruktura sa mga gusok. Bisan pa, ang pagkuha sa taas nga kalidad nga mga imahe nanginahanglan mga high-energy nga mga electron, nga dali nga mabag-o o bisan makaguba sa istruktura sa ngilit sa mga covalently bonded nga XNUMXD nga mga materyales, wala pay labot ang labi ka luag nga gibugkos nga mga sulud sa XNUMXD nga yelo.

Ang usa ka atomic force microscope walay ingon nga mga disbentaha, ug ang usa ka CO-coated tip nagtugot sa pagtuon sa interfacial nga tubig nga adunay gamay nga impluwensya sa mga molekula sa tubig.

Mga resulta sa panukiduki

Hulagway #1

Ang duha ka dimensyon nga yelo gipatubo sa ibabaw sa Au(111) sa temperatura nga mga 120 K, ug ang gibag-on niini 2.5 Å (1a).

STM nga mga hulagway sa yelo (1c) ug ang katugbang nga fast Fourier transform image (inset in 1a) nagpakita ug maayong pagkahan-ay nga hexagonal nga estraktura nga may periodicity sa Au(111)-√3 x √3-30°. Bisan kung ang cellular H-connected network sa 2D ice makita sa STM nga imahe, ang detalyado nga topology sa mga istruktura sa ngilit lisud mahibal-an. Sa samang higayon, ang AFM nga adunay frequency shift (Δf) sa samang sample area naghatag ug mas maayong mga hulagway (1d), nga nagpaposible nga mahanduraw ang pormag-lingkuran ug zigzag nga mga seksyon sa istruktura. Ang kinatibuk-ang gitas-on sa duha ka mga variant ikatandi, apan ang kasagarang gitas-on sa gisundan nga gusok mas taas og gamay (1b). Ang mga gusok sa zigzag mahimong motubo hangtod sa 60 Å ang gitas-on, apan ang pormag-lingkuran nga porma natabunan sa mga depekto sa panahon sa pagporma, nga nagpamenos sa ilang labing taas nga gitas-on sa 10-30 Å.

Sunod, ang sistematikong AFM imaging gihimo sa lainlaing mga gitas-on sa dagom (2a).

Hulagway #2

Sa pinakataas nga tumoy nga gitas-on, kung ang signal sa AFM gidominar sa mas taas nga order nga electrostatic force, duha ka set sa √3 x √3 sublattices sa two-dimensional bilayer ice ang giila, ang usa niini gipakita sa 2a (sa wala).

Sa ubos nga gitas-on sa dagom, ang mahayag nga mga elemento niini nga subarray nagsugod sa pagpakita sa direksyon, ug ang laing subarray nahimong usa ka V-shaped nga elemento (2a, nakasentro).

Sa minimum nga gitas-on sa dagom, ang AFM nagpadayag sa usa ka honeycomb structure nga adunay tin-aw nga mga linya nga nagkonektar sa duha ka sublattice, nga nagpahinumdom sa H-bond (2a, sa tuo).

Ang mga kalkulasyon sa densidad nga functional theory nagpakita nga ang duha ka dimensyon nga yelo nga gipatubo sa Au(111) nga nawong katumbas sa usa ka nagsumpay nga duha ka layer nga istruktura sa yelo (2c), nga naglangkob sa duha ka patag nga hexagonal nga mga sapaw sa tubig. Ang mga hexagon sa duha ka mga palid gihugpong, ug ang anggulo tali sa mga molekula sa tubig sa ayroplano maoy 120°.

Sa matag lut-od sa tubig, ang katunga sa mga molekula sa tubig nahimutang nga pinahigda (parallel sa substrate) ug ang laing katunga naghigda nga patayo (perpendicular sa substrate), nga adunay usa ka O-H nga nagtudlo pataas o paubos. Ang naghigda nga tubig sa usa ka layer nagdonar ug usa ka H-bond sa pinahigda nga tubig sa lain nga layer, nga nagresulta sa usa ka hingpit nga saturated H-shaped nga istruktura.

AFM simulation gamit ang quadrupole (dz 2) tip (2b) base sa naa sa ibabaw nga modelo uyon sa mga resulta sa eksperimento (2a). Ikasubo, ang parehas nga kataas sa pinahigda ug bertikal nga tubig nagpalisud sa ilang pag-ila sa panahon sa STM imaging. Bisan pa, kung gigamit ang atomic force microscopy, ang mga molekula sa parehas nga klase sa tubig klaro nga mailhan (2a и 2b tuo) tungod kay ang mas taas nga pagkahan-ay nga electrostatic nga puwersa sensitibo kaayo sa orientasyon sa mga molekula sa tubig.

Posible usab nga dugang nga mahibal-an ang direksyon sa OH sa pinahigda ug bertikal nga tubig pinaagi sa interaksyon tali sa mas taas nga pagkahan-ay nga mga pwersa sa electrostatic ug mga pwersa sa Pauli repulsive, ingon sa gipakita sa pula nga mga linya sa 2a и 2b (sentro).

Hulagway #3

Sa mga hulagway 3a и 3b (Yugto 1) nagpakita sa gipadak-ang AFM nga mga hulagway sa zigzag ug armchair fins, matag usa. Nakaplagan nga ang zigzag nga ngilit motubo samtang nagmintinar sa orihinal nga estraktura niini, ug uban sa pagtubo sa sidsid nga porma sa lingkuranan, ang ngilit gipahiuli sa periodic structure sa 5756 nga mga singsing, i.e. kung ang istruktura sa mga gusok matag karon ug unya gisubli ang pagkasunod-sunod nga pentagon - heptagon - pentagon - hexagon.

Ang mga kalkulasyon sa density functional theory nagpakita nga ang wala matukod nga zigzag fin ug ang 5756 chair fin mao ang labing lig-on. Ang 5756 nga ngilit naporma isip resulta sa hiniusang epekto nga makapamenos sa gidaghanon sa unsaturated hydrogen bonds ug makapamenos sa strain energy.

Nahinumdom ang mga siyentista nga ang basal nga mga eroplano sa hexagonal nga yelo kasagarang matapos sa zigzag ribs, ug ang pormag-lingkuran nga gusok wala tungod sa mas taas nga densidad sa unsaturated hydrogen bonds. Bisan pa, sa gagmay nga mga sistema o kung diin limitado ang espasyo, ang mga kapay sa lingkuranan makapakunhod sa ilang kusog pinaagi sa husto nga pagdesinyo pag-usab.

Sama sa nahisgutan sa sayo pa, kung ang pagtubo sa yelo sa 120 K nahunong, ang sample gipabugnaw dayon sa 5 K aron pagsulay sa pag-freeze sa metatable o transisyon nga mga istruktura sa kilid ug pagsiguro sa usa ka medyo taas nga sample nga kinabuhi alang sa detalyado nga pagtuon gamit ang STM ug AFM. Posible usab nga matukod pag-usab ang proseso sa pagtubo sa duha-ka-dimensional nga yelo (larawan No. 3) salamat sa CO-functionalized microscope tip, nga nagpaposible sa pag-ila sa metastable ug transition structures.

Sa kaso sa zigzag ribs, ang mga indibidwal nga pentagons usahay makit-an nga gilakip sa tul-id nga mga gusok. Mahimo silang maglinya sa usa ka laray, nga maghimo usa ka laray nga adunay periodicity nga 2 x aice (aice mao ang lattice constant sa two-dimensional nga yelo). Kini nga obserbasyon mahimong magpakita nga ang pagtubo sa zigzag nga mga ngilit gisugdan pinaagi sa pagporma sa usa ka periodic array sa mga pentagons (3a, lakang 1-3), nga naglakip sa pagdugang og duha ka pares sa tubig alang sa pentagon (pula nga mga pana).

Sunod, ang han-ay sa mga pentagons konektado aron maporma ang usa ka istruktura sama sa 56665 (3a, stage 4), ug dayon ibalik ang orihinal nga zigzag nga hitsura pinaagi sa pagdugang ug daghang alisngaw sa tubig.

Uban sa pormag-lingkuran nga mga ngilit ang sitwasyon mao ang kaatbang - walay mga han-ay sa mga pentagons, apan sa baylo mugbong mga kal-ang sama sa 5656 sa ngilit kanunay nga naobserbahan. Ang gitas-on sa 5656 fin mas mubo kaysa sa 5756. Kini lagmit tungod kay ang 5656 fin kay stressed kaayo ug dili kaayo lig-on kay sa 5756. Sugod sa 5756 chair fin, 575 ka singsing ang lokal nga nakabig ngadto sa 656 ka singsing pinaagi sa pagdugang og duha alisngaw sa tubig (3b, yugto 2). Sunod, ang 656 nga mga singsing motubo sa transverse nga direksyon, nga nahimong usa ka ngilit sa 5656 nga tipo (3b, stage 3), apan adunay limitado nga gitas-on tungod sa pagtipon sa enerhiya sa deformation.

Kung ang usa ka pares sa tubig idugang sa hexagon sa usa ka 5656 fin, ang deformation mahimong partially weakened, ug kini usab modala ngadto sa pagporma sa usa ka 5756 fin (3b, yugto 4).

Ang mga resulta sa ibabaw mao ang kaayo nagpaila, apan kini nakahukom sa pagsuporta kanila uban sa dugang nga data nga nakuha gikan sa molecular dynamics kalkulasyon sa tubig alisngaw sa Au (111) nawong.

Nakaplagan nga ang XNUMXD double-layer ice islands malampuson nga naporma ug walay babag sa ibabaw, nga nahiuyon sa among eksperimento nga mga obserbasyon.

Hulagway #4

Sa hulagway 4a Ang mekanismo sa kolektibong pagporma sa mga tulay sa zigzag ribs gipakita sa lakang.

Sa ubos mao ang mga materyal sa media sa kini nga pagtuon nga adunay usa ka paghulagway.

Media nga materyal No. 1

Angayan nga hinumdoman nga ang usa ka pentagon nga gilakip sa usa ka zigzag nga ngilit dili mahimo nga usa ka lokal nga sentro sa nucleation aron mapalambo ang pagtubo.

Media nga materyal No. 2

Hinunoa, ang usa ka periodic apan dili konektado nga network sa mga pentagons sa sinugdanan naporma sa zigzag nga ngilit, ug ang sunod nga umaabot nga mga molekula sa tubig hiniusang misulay sa pagkonektar niini nga mga pentagons, nga miresulta sa pagkaporma sa usa ka 565-type nga chain structure. praktikal nga mga obserbasyon, nga nagpatin-aw sa hilabihan ka mubo nga kinabuhi niini.

Media nga materyal No. 3 ug No. 4



Ang pagdugang sa usa ka pares sa tubig nagkonektar sa 565 type nga istruktura ug sa kasikbit nga pentagon, nga miresulta sa pagkaporma sa 5666 type nga istruktura.

Ang 5666 type nga istruktura motubo sa ulahi aron maporma ang 56665 type nga istruktura ug sa kadugayan mahimong usa ka hingpit nga konektado nga hexagonal lattice.

Media nga materyal No. 5 ug No. 6



Sa hulagway 4b Ang pagtubo gipakita sa kaso sa gusok sa armchair. Ang pagkakabig gikan sa type 575 rings ngadto sa type 656 rings nagsugod gikan sa ubos nga layer, nga nagporma og composite 575/656 structure nga dili mailhan gikan sa type 5756 fin sa mga eksperimento, tungod kay ang ibabaw lang nga layer sa two-layer ice ang mahulagway. sa panahon sa mga eksperimento.

Media nga materyal No. 7

Ang resulta nga tulay 656 nahimong sentro sa nucleation alang sa pagtubo sa 5656 gusok.

Media nga materyal No. 8

Ang pagdugang og usa ka molekula sa tubig sa usa ka 5656 nga ngilit moresulta sa usa ka kaayo nga mobile nga dili pares nga istruktura sa molekula.

Media nga materyal No. 9

Ang duha niining dili pares nga mga molekula sa tubig mahimo nga maghiusa sa usa ka mas lig-on nga istruktura sa heptagonal, nga makompleto ang pagkakabig gikan sa 5656 hangtod 5756.

Alang sa usa ka mas detalyado nga kaila sa mga nuances sa pagtuon, girekomenda ko ang pagtan-aw report sa mga siyentista.

Epilogo

Ang nag-unang konklusyon niini nga pagtuon mao nga ang naobserbahan nga kinaiya sa mga istruktura sa panahon sa pagtubo mahimong komon sa tanan nga mga matang sa duha-ka-dimensional nga yelo. Ang bilayer hexagonal nga yelo naporma sa nagkalain-laing hydrophobic surfaces ug ubos sa hydrophobic confinement nga mga kondisyon, ug busa mahimong isipon nga usa ka bulag nga 2D nga kristal (2D ice I), ang pagporma niini dili sensitibo sa nagpahiping istruktura sa substrate.

Ang mga siyentista matinud-anon nga nag-ingon nga ang ilang teknik sa imaging dili pa angay alang sa pagtrabaho sa tulo-ka-dimensional nga yelo, apan ang mga resulta sa pagtuon sa duha-ka-dimensional nga yelo mahimong basehan sa pagpatin-aw sa proseso sa pagporma sa volumetric nga paryente niini. Sa laing pagkasulti, ang pagsabut kung giunsa ang pagporma sa duha ka dimensyon nga istruktura usa ka hinungdanon nga pundasyon sa pagtuon sa mga tulo-ka-dimensyon. Alang niini nga katuyoan nga ang mga tigdukiduki nagplano sa pagpauswag sa ilang pamaagi sa umaabot.

Salamat sa pagbasa, stay curious and have a great week guys. 🙂

Pipila ka mga ad 🙂

Salamat sa pagpabilin kanamo. Ganahan ka ba sa among mga artikulo? Gusto nga makakita og mas makapaikag nga sulod? Suportahi kami pinaagi sa pag-order o pagrekomenda sa mga higala, cloud VPS alang sa mga developers gikan sa $4.99, usa ka talagsaon nga analogue sa mga entry-level server, nga giimbento namo alang kanimo: Ang tibuok kamatuoran bahin sa VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps gikan sa $19 o unsaon pagpaambit sa usa ka server? (anaa sa RAID1 ug RAID10, hangtod sa 24 ka mga core ug hangtod sa 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 ka beses nga mas barato sa Equinix Tier IV data center sa Amsterdam? Dinhi lang 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV gikan sa $199 sa Netherlands! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - gikan sa $99! Basaha ang mahitungod sa Unsaon pagtukod sa infrastructure corp. klase sa paggamit sa Dell R730xd E5-2650 v4 server nga nagkantidad ug 9000 euros sa usa ka sentimos?

Source: www.habr.com