Tuttu u mondu sapi chì l'acqua si trova in trè stati di aggregazione. Pudemu u caldu, è l'acqua cumencia à fogghiu è evapora, turnendu da u liquidu à u gasu. Pudemu in u freezer, è cumencia à turnà in ghjacciu, passendu cusì da un liquidu à un statu solidu. In ogni casu, in certi circustanzi, u vapore d'acqua presente in l'aria pò passà immediatamente in a fase solida, sguassendu a fase liquida. Sapemu stu prucessu da u so risultatu - belli mudelli nantu à i finestri in un ghjornu d'invernu friddu. L'amatori di l'auto, quandu scraping una strata di ghiaccio da u parabrisu, spessu caratterizeghja stu prucessu cù epiteti micca assai scientifichi, ma assai emotivi è vivi. In una manera o l'altru, i dettagli di a furmazione di ghiacciu bidimensionale sò stati chjusi in sicretu per parechji anni. È pocu tempu, per a prima volta, una squadra internaziunale di scientisti hà sappiutu visualizà a struttura atomica di ghiaccio bidimensionale durante a so furmazione. Chì sicreti sò oculati in questu prucessu fisicu apparentemente simplice, cumu i scientisti anu riesciutu à scopre, è cumu sò utili i so scuperte? U rapportu di u gruppu di ricerca ci dirà di questu. Vai.
Basi di ricerca
Se esageramu, allora quasi tutti l'uggetti intornu à noi sò tridimensionali. In ogni casu, s'ellu si cunsiderà alcuni di elli più meticulosamente, pudemu ancu truvà dui dimensionali. Una crosta di ghiaccio chì si forma nantu à a superficia di qualcosa hè un primu esempiu di questu. L'esistenza di tali strutture ùn hè micca un sicretu per a cumunità scientifica, perchè sò stati analizati parechje volte. Ma u prublema hè chì hè abbastanza difficiuli di visualizà strutture metastabile o intermediate implicate in a furmazione di ghiaccio 2D. Questu hè dovutu à prublemi banali - a fragilità è a fragilità di e strutture studiate.
Fortunatamente, i metudi di scanning muderni permettenu di analizà i campioni cù un impattu minimu, chì permette di ottene u massimu di dati in pocu tempu, per via di e ragioni sopra. In questu studiu, i scientisti anu utilizatu a microscopia di forza atomica senza cuntattu, cù a punta di l'agulla di u microscopiu ricopertu di monossidu di carbonu (CO). A cumminazzioni di sti strumenti di scanning permette di ottene l'imaghjini in tempu reale di e strutture di bordu di ghiacciu esagonale bidimensionale bi-dimensionale cultivatu nantu à una superficia d'oru (Au).
A microscopia hà dimustratu chì durante a furmazione di ghiacciu bidimensionale, dui tipi di bordi (segmenti chì culliganu dui vertici di un poligonu) coexistanu simultaneamente in a so struttura: zigzag (zigzag) è a forma di sedia (poltrona).
Poltrona (sinistra) è zigzag (destra) bordi cù grafene cum'è un esempiu.
À questu stadiu, i campioni sò stati congelati rapidamente, chì permettenu a struttura atomica per esse esaminata in detail. U modellu hè statu ancu realizatu, i risultati di quale largamente coincide cù i risultati d'osservazione.
Hè stata truvata chì in u casu di a furmazione di ribs zigzag, una molécula d'acqua addiziale hè aghjuntu à u bordu esistenti, è tuttu u prucessu hè regulatu da u mecanismu di ponte. Ma in u casu di a furmazione di costelli di poltrona, ùn sò state rilevate micca molèculi supplementari, chì cuntrastanu fermamente cù l'idee tradiziunali nantu à a crescita di u ghjacciu hexagonale di dui strati è di sustanzi hexagonali bidimensionali in generale.
Perchè i scientisti anu sceltu un microscopiu di forza atomica senza cuntattu per e so osservazioni piuttostu cà un microscopiu à scanning tunneling (STM) o un microscopiu elettronicu di trasmissione (TEM)? Comu sapemu digià, l'scelta hè ligata à a difficultà di studià e strutture di cortu è fragili di ghjacciu bidimensionale. STM hè stata utilizata prima per studià i 2D ghiacci cultivati nantu à diverse superfici, ma stu tipu di microscopiu ùn hè micca sensibule à a pusizione di i nuclei, è a so punta pò causà errori di imaging. TEM, à u cuntrariu, mostra perfettamente a struttura atomica di e coste. Tuttavia, l'ottenimentu di l'imaghjini d'alta qualità richiede l'elettroni d'alta energia, chì ponu facilmente cambià o ancu distrughjenu a struttura di u bordu di materiali XNUMXD covalently bonded, per micca di parlà di i bordi più loosely bonded in XNUMXD ice.
Un microscopiu di forza atomica ùn hà micca tali disadvantages, è una punta CO-coated permette u studiu di l'acqua interfacial cù influenza minima nantu à e molécule d'acqua.
Risultati di ricerca
Image #1
U ghiaccio bidimensionale hè statu cultivatu nantu à a superficia di Au(111) à una temperatura di circa 120 K, è u so spessore era 2.5 Å (1).
L'imaghjini STM di ghiaccio (1c) è l'immagine di trasformazione rapida di Fourier corrispondente (inseritu in 1) mostra una struttura esagonale ben urdinata cù una periodicità di Au(111)-√3 x √3-30°. Ancu se a rete cellulare H-connected di ghiaccio 2D hè visibile in l'imaghjini STM, a topologia dettagliata di e strutture di bordu hè difficiule di determinà. À u listessu tempu, l'AFM cù un shift di frequenza (Δf) di a listessa zona di mostra hà datu immagini megliu (1d), chì hà permessu di visualizà sezioni in forma di sedia è zigzag di a struttura. A durata tutale di e duie varianti hè paragunabili, ma a durata media di a rib di predecessore hè un pocu più longu (1b). I costi di zigzag ponu cresce finu à 60 Å in longu, ma quelli in forma di sedia diventanu cuparti di difetti durante a furmazione, chì riduce a so durata massima à 10-30 Å.
Dopu, l'imaging AFM sistematicu hè statu realizatu à diverse altezze di l'agulla (2).
Image #2
À l'altitudine di punta più alta, quandu u signale AFM hè duminatu da una forza elettrostatica d'ordine più altu, sò stati identificati dui gruppi di √3 x √3 subrettichi in ghiacciu bidimensionale, unu di i quali hè mostratu in 2 (manca).
À l'altitudine di l'agulla più bassu, l'elementi brillanti di questu subarray cumincianu à mustrà direzzione, è l'altru subarray si trasforma in un elementu in forma di V (2a, centratu).
À l'altezza minima di l'agulla, l'AFM revela una struttura in nid d'ape cù linee chjaru chì cunghjuntanu dui subrettichi, chì ricordanu di ligami H (2a, à destra).
I calculi di a teoria funziunale di densità mostranu chì u ghiaccio bidimensionale cultivatu nantu à a superficia Au(111) currisponde à una struttura di ghiaccio à dui strati intrecciati (2c), custituitu da dui strati esagonali piani d'acqua. L'esagoni di i dui fogli sò cunjugati, è l'angulu trà e molécule d'acqua in u pianu hè 120 °.
In ogni capa di l'acqua, a mità di e molécule d'acqua si trovanu horizontale (parallela à u sustrato) è l'altra mità si trovanu verticalmente (perpendiculare à u sustrato), cù un O-H chì punta in sopra o in fondu. L'acqua chì si trova verticalmente in una capa dona un H-bond à l'acqua horizontale in un altru stratu, risultatu in una struttura in forma di H cumplettamente saturata.
Simulation AFM à l'aide d'une pointe quadrupole (dz 2) (2b) basatu annantu à u mudellu sopra hè in bonu accordu cù i risultati sperimentali (2a). Sfurtunatamente, l'altitudine simili di l'acqua horizontale è verticale facenu a so identificazione difficiule durante l'imaghjini STM. Tuttavia, quandu si usa a microscopia di forza atomica, e molécule di i dui tipi d'acqua sò chjaramente distinguibili (2a и 2b right) perchè a forza elettrostatica di l'ordine più altu hè assai sensibile à l'orientazione di e molécule d'acqua.
Era ancu pussibule di determinà ancu più a direzzione OH di l'acqua horizontale è verticale attraversu l'interazzione trà e forze elettrostatiche d'ordine superiore è e forze repulsive Pauli, cum'è mostratu da e linee rosse in 2 и 2b (centru).
Image #3
In l'imaghjini 3 и 3b (Step 1) mostra l'imaghjini AFM ingrandite di zigzag è pinne di poltrona, rispettivamente. Hè stata truvata chì u zigzag si sviluppa mentre mantene a so struttura uriginale, è cù a crescita di u bordu in forma di sedia, u bordu hè restauratu in a struttura periodica di 5756 anelli, i.e. quandu a struttura di i costi ripete periodicamente a sequenza pentagonu - heptagon - pentagon - hexagon.
I calculi di a teoria funziunale di a densità mostranu chì l'aletta in zigzag non ricostruita è l'aletta di sedia 5756 sò i più stabili. U bordu 5756 hè furmatu com'è u risultatu d'effetti cumminati chì minimizzanu u numeru di ligami d'idrogenu insaturatu è riduce l'energia di strain.
I scientisti ricurdenu chì i piani basali di u ghjacciu hexagonal finiscinu di solitu in ribs zigzag, è ribs in forma di sedia sò assenti per via di a densità più alta di ligami d'idrogenu insaturatu. In ogni casu, in i sistemi chjuchi o induve u spaziu hè limitatu, l'alette di a sedia ponu riduce a so energia per un redesignu propiu.
Comu diciatu prima, quandu a crescita di ghiaccio à 120 K hè stata fermata, a mostra hè stata immediatamente rinfriscata à 5 K per pruvà à cungelà e strutture metastabili o di transizione è assicura una vita di mostra relativamente longa per un studiu detallatu cù STM è AFM. Hè statu ancu pussibule di ricustruisce u prucessu di crescita di u ghjacciu bidimensionale (imagine No. 3) grazia à a punta di microscopiu CO-functionalized, chì hà permessu di detectà strutture metastabile è di transizione.
In u casu di ribs zigzag, i pentagoni individuali sò stati attruvati à volte attaccati à e coste dritte. Puderanu allineà in una fila, furmendu un array cù una periodicità di 2 x ace (ace hè a constante reticulata di u ghjacciu bidimensionale). Questa osservazione pò indicà chì a crescita di i bordi in zigzag hè iniziata da a furmazione di una serie periodica di pentagoni (3, Passu 1-3), chì implica l'aghjunghje duie coppie d'acqua per u pentagonu (frecce rosse).
Dopu, l'array di pentagoni hè cunnessu per furmà una struttura cum'è 56665 (3, stage 4), è poi restaurà l'aspettu zigzag originale aghjunghjendu più vapor d'acqua.
Cù bordi in forma di sedia, a situazione hè u cuntrariu - ùn ci sò micca array di pentagoni, ma invece brevi brevi cum'è 5656 à u bordu sò abbastanza spessu osservati. A durata di l'aletta 5656 hè significativamente più corta ch'è quella di u 5756. Questu hè possibbilmente perchè l'aletta 5656 hè assai stressata è menu stabile di u 5756. Accuminciannu cù l'aletta di sedia 5756, 575 anelli sò cunvertiti localmente à 656 anelli aghjunghjendu dui. vapor d'acqua (3b, stage 2). In seguitu, l'anelli 656 crescenu in a direzzione trasversale, furmendu un bordu di u tipu 5656 (3b, stage 3), ma cù una durata limitata per via di l'accumulazione di energia di deformazione.
Se un paru d'acqua hè aghjuntu à l'esagonu di una pinna 5656, a deformazione pò esse parzialmente debilitatu, è questu portarà di novu à a furmazione di una pinna 5756 (3b, stage 4).
I risultati di sopra sò assai indicativi, ma hè statu decisu di sustene cù dati supplementari ottenuti da i calculi di dinamica moleculare di u vapor d'acqua nantu à a superficia Au (111).
Hè stata truvata chì l'isuli di ghiaccio XNUMXD di doppia strata si sò furmati cù successu è senza ostaculi nantu à a superficia, chì hè coherente cù e nostre osservazioni sperimentali.
Image #4
Nantu à l'imaghjini 4 U miccanisimu di a furmazione cullettiva di ponti nantu à i costi di zigzag hè mostratu passu à passu.
Quì sottu sò materiali media nantu à stu studiu cù una descrizzione.
Material media n ° 1
Hè da nutà chì un pentagonu unicu attaccatu à un zigzag ùn pò micca agisce cum'è un centru di nucleazione lucale per prumove a crescita.
Material media n ° 2
Invece, una reta di pentagoni periodicu ma micca cunnessu inizialmente si forma nantu à u zigzag, è e molécule d'acqua entranti sussegwente tentanu cullettivamente di cunnette sti pentagoni, risultatu in a furmazione di una struttura di catena di tipu 565. Sfurtunatamente, una tale struttura ùn hè micca stata osservata durante osservazioni pratiche, chì spiega a so vita estremamente corta.
Material media n ° 3 è n ° 4
L'aghjunzione di un paru d'acqua cunnetta a struttura di tipu 565 è u pentagonu adiacente, risultatu in a furmazione di a struttura di tipu 5666.
A struttura di u tipu 5666 cresce lateralmente per furmà a struttura di u tipu 56665 è eventualmente si sviluppa in un lattice esagonale cumpletamente cunnessu.
Material media n ° 5 è n ° 6
Nantu à l'imaghjini 4b a crescita hè mostrata in u casu di una rib di poltrona. A cunversione da anelli di tipu 575 à anelli di tipu 656 principia da a capa di fondu, furmendu una struttura composta 575/656 chì ùn pò micca esse distinta da una finta di tipu 5756 in l'esperimenti, postu chì solu a capa superiore di u ghjacciu di dui strati pò esse imagine. durante l'esperimenti.
Material media n ° 7
U ponte resultanti 656 diventa u centru di nucleazione per a crescita di a rib 5656.
Material media n ° 8
L'aggiunta di una molecula d'acqua à un bordu 5656 si traduce in una struttura di molecule disapparied altamente mobile.
Material media n ° 9
Dui di sti molécule d'acqua senza pari ponu in seguitu cumminà in una struttura eptagonale più stabile, cumpletendu a cunversione da 5656 à 5756.
Per una cunniscenza più dettagliata di e sfumature di u studiu, vi cunsigliu di guardà .
Epilogue
A cunclusione principale di stu studiu hè chì u cumpurtamentu osservatu di e strutture durante a crescita pò esse cumunu à tutti i tipi di ghiaccio bidimensionale. U ghiaccio esagonale bistratu si forma nantu à diverse superfici idrofobiche è in cundizioni di confinamentu idrofobicu, è dunque pò esse cunsideratu cum'è un cristallu 2D separatu (2D ice I), a furmazione di quale hè insensibile à a struttura sottostante di u sustrato.
I scientisti sinceramente dicenu chì a so tecnica d'imaghjini ùn hè ancu adattatu per travaglià cù u ghjacciu tridimensionale, ma i risultati di studià u ghjacciu bidimensionale pò serve com'è basa per spiegà u prucessu di furmazione di u so parente volumetricu. In altri palori, capisce cumu si formanu strutture bidimensionali hè un fundamentu impurtante per studià quelli tridimensionali. Hè per questu scopu chì i circadori pensanu à migliurà a so metodulugia in u futuru.
Grazie per a lettura, stà curiosu è avete una bella settimana ragazzi. 🙂
Certi annunzii 🙂
Grazie per stà cun noi. Ti piace i nostri articuli ? Vulete vede più cuntenutu interessante? Supportaci facendu un ordine o ricumandendu à l'amichi, , un analogu unicu di servitori di livellu d'entrata, chì hè statu inventatu da noi per voi: (dispunibule cù RAID1 è RAID10, finu à 24 core è finu à 40GB DDR4).
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Source: www.habr.com