Každý ví, že voda se vyskytuje ve třech stavech agregace. Nasadíme konvici a voda se začne vařit a odpařovat, mění se z kapalné na plynnou. Dáme do mrazáku a začne se měnit na led, čímž přechází z kapalného do pevného stavu. Za určitých okolností však vodní pára přítomná ve vzduchu může okamžitě přejít do pevné fáze a obejít kapalnou fázi. Tento proces poznáme podle jeho výsledku – krásných vzorů na oknech v mrazivém zimním dni. Automobiloví nadšenci, když seškrabují vrstvu ledu z čelního skla, často charakterizují tento proces pomocí nepříliš vědeckých, ale velmi emotivních a živých epitet. Tak či onak byly detaily vzniku dvourozměrného ledu na dlouhá léta zahaleny rouškou tajemství. A nedávno se mezinárodnímu týmu vědců podařilo poprvé zviditelnit atomovou strukturu dvourozměrného ledu během jeho tvorby. Jaká tajemství se skrývají v tomto zdánlivě jednoduchém fyzikálním procesu, jak se je vědcům podařilo odhalit a v čem jsou jejich poznatky užitečné? O tom nám řekne zpráva výzkumné skupiny. Jít.
Výzkumná základna
Když to přeženeme, tak prakticky všechny předměty kolem nás jsou trojrozměrné. Pokud však některé z nich zvážíme pečlivěji, můžeme najít i dvojrozměrné. Kůra ledu, která se tvoří na povrchu něčeho, je toho ukázkovým příkladem. Existence takových struktur není pro vědeckou komunitu tajemstvím, protože byly mnohokrát analyzovány. Problém je ale v tom, že je docela obtížné vizualizovat metastabilní nebo mezilehlé struktury podílející se na tvorbě 2D ledu. Je to kvůli banálním problémům - křehkosti a křehkosti studovaných struktur.
Naštěstí moderní skenovací metody umožňují analyzovat vzorky s minimálním dopadem, což z výše uvedených důvodů umožňuje získat maximum dat v krátkém časovém období. V této studii vědci použili bezkontaktní mikroskopii atomárních sil se špičkou jehly mikroskopu potaženou oxidem uhelnatým (CO). Kombinace těchto skenovacích nástrojů umožňuje získat v reálném čase snímky okrajových struktur dvourozměrného dvouvrstvého hexagonálního ledu pěstovaného na zlatém (Au) povrchu.
Mikroskopie ukázala, že při tvorbě dvourozměrného ledu v jeho struktuře současně koexistují dva typy hran (úseky spojující dva vrcholy mnohoúhelníku): klikatá (cikcak) a ve tvaru židle (křeslo).
Křeslo (vlevo) a klikaté (vpravo) okraje s použitím grafenu jako příkladu.
V této fázi byly vzorky rychle zmraženy, což umožnilo detailní prozkoumání atomové struktury. Bylo také provedeno modelování, jehož výsledky se do značné míry shodovaly s výsledky pozorování.
Bylo zjištěno, že v případě tvorby klikatých žeber se ke stávající hraně přidává další molekula vody a celý proces je regulován přemosťovacím mechanismem. Ale v případě tvorby žeber křesla nebyly detekovány žádné další molekuly, což silně kontrastuje s tradičními představami o růstu dvouvrstvého hexagonálního ledu a dvourozměrných hexagonálních látek obecně.
Proč si vědci pro svá pozorování vybrali bezkontaktní mikroskop atomárních sil než skenovací tunelový mikroskop (STM) nebo transmisní elektronový mikroskop (TEM)? Jak již víme, výběr souvisí s obtížností studia krátkodobých a křehkých struktur dvourozměrného ledu. STM se již dříve používal ke studiu 2D ledů pěstovaných na různých površích, ale tento typ mikroskopu není citlivý na polohu jader a jeho hrot může způsobit chyby při zobrazování. TEM naopak dokonale ukazuje atomovou strukturu žeber. Získání vysoce kvalitních snímků však vyžaduje elektrony s vysokou energií, které mohou snadno změnit nebo dokonce zničit okrajovou strukturu kovalentně vázaných XNUMXD materiálů, nemluvě o volněji vázaných okrajích ve XNUMXD ledu.
Mikroskop atomární síly takové nevýhody nemá a hrot potažený CO umožňuje studium vody na rozhraní s minimálním vlivem na molekuly vody.
Výsledky výzkumu
Obrázek č. 1
Dvourozměrný led rostl na povrchu Au(111) při teplotě asi 120 K a jeho tloušťka byla 2.5 Á (1a).
STM snímky ledu (1c) a odpovídající obraz rychlé Fourierovy transformace (vložený v 1a) ukazují dobře uspořádanou hexagonální strukturu s periodicitou Au(111)-√3 x √3-30°. Přestože je na snímku STM viditelná celulární H-propojená síť 2D ledu, je obtížné určit podrobnou topologii okrajových struktur. Současně AFM s frekvenčním posunem (Δf) stejné oblasti vzorku poskytl lepší snímky (1d), což umožnilo vizualizovat židle ve tvaru a klikaté části konstrukce. Celková délka obou variant je srovnatelná, ale průměrná délka žebra předchůdce je o něco delší (1b). Klikatá žebra mohou dorůst až do délky 60 Å, ale židle ve tvaru se během formování pokrývají defekty, což snižuje jejich maximální délku na 10-30 Å.
Dále bylo provedeno systematické zobrazování AFM v různých výškách jehel (2a).
Obrázek č. 2
V nejvyšší výšce špičky, kdy signálu AFM dominuje elektrostatická síla vyššího řádu, byly identifikovány dvě sady podmřížek √3 x √3 ve dvourozměrném dvouvrstvém ledu, z nichž jedna je znázorněna na 2a (vlevo, odjet).
V nižších výškách jehly začnou jasné prvky tohoto podpole vykazovat směrovost a druhé podpole se změní na prvek ve tvaru V (2a, na střed).
Při minimální výšce jehly AFM odhaluje voštinovou strukturu s jasnými liniemi spojujícími dvě podmřížky, připomínající H-vazby (2a, napravo).
Výpočty hustoty funkcionální teorie ukazují, že dvourozměrný led vyrostlý na povrchu Au(111) odpovídá vzájemně propojené dvouvrstvé struktuře ledu (2), sestávající ze dvou plochých šestiúhelníkových vrstev vody. Šestiúhelníky obou listů jsou konjugované a úhel mezi molekulami vody v rovině je 120°.
V každé vrstvě vody leží polovina molekul vody vodorovně (rovnoběžně se substrátem) a druhá polovina leží vertikálně (kolmo k substrátu), přičemž jeden O–H směřuje nahoru nebo dolů. Vertikálně ležící voda v jedné vrstvě předává H-vazbu horizontální vodě v další vrstvě, což vede k plně nasycené struktuře ve tvaru H.
Simulace AFM pomocí kvadrupólového (dz 2) hrotu (2b) na základě výše uvedeného modelu je v dobré shodě s experimentálními výsledky (2a). Bohužel podobné výšky horizontální a vertikální vody ztěžují jejich identifikaci při zobrazování STM. Při použití mikroskopie atomárních sil jsou však molekuly obou typů vody jasně rozlišitelné (2a и 2b vpravo), protože elektrostatická síla vyššího řádu je velmi citlivá na orientaci molekul vody.
Bylo také možné dále určit směrovost OH horizontální a vertikální vody prostřednictvím interakce mezi elektrostatickými silami vyššího řádu a Pauliho odpudivými silami, jak je znázorněno červenými čarami v 2a и 2b (centrum).
Obrázek č. 3
Na obrázcích 3a и 3b (Stage 1) ukazuje zvětšené snímky AFM klikatých a křeselových ploutví. Zjistilo se, že klikatý okraj roste při zachování své původní struktury a s růstem okraje ve tvaru židle se okraj obnovuje v periodické struktuře 5756 prstenů, tzn. kdy se struktura žeber periodicky opakuje posloupnost pětiúhelník - sedmiúhelník - pětiúhelník - šestiúhelník.
Výpočty hustoty funkční teorie ukazují, že nerekonstruovaná klikatá ploutev a ploutev židle 5756 jsou nejstabilnější. Hrana 5756 je vytvořena jako výsledek kombinovaných efektů, které minimalizují počet nenasycených vodíkových vazeb a snižují deformační energii.
Vědci připomínají, že bazální roviny šestiúhelníkového ledu obvykle končí klikatými žebry a žebra ve tvaru židle chybí kvůli vyšší hustotě nenasycených vodíkových vazeb. Avšak v malých systémech nebo tam, kde je omezený prostor, mohou ploutve židle snížit svou energii správným přepracováním.
Jak již bylo zmíněno dříve, když byl růst ledu při 120 K zastaven, vzorek byl okamžitě ochlazen na 5 K, aby se pokusil zmrazit metastabilní nebo přechodové okrajové struktury a zajistil relativně dlouhou životnost vzorku pro podrobné studium pomocí STM a AFM. Rovněž bylo možné rekonstruovat proces růstu dvourozměrného ledu (obrázek č. 3) díky CO-funkcionalizovanému hrotu mikroskopu, který umožnil detekovat metastabilní a přechodové struktury.
U klikatých žeber byly někdy nalezeny jednotlivé pětiúhelníky připojené k rovným žebrům. Mohly se seřadit do řady a vytvořit pole s periodicitou 2 x aice (aice je mřížková konstanta dvourozměrného ledu). Toto pozorování může naznačovat, že růst klikatých hran je iniciován tvorbou periodického pole pětiúhelníků (3a, krok 1-3), který zahrnuje přidání dvou vodních párů pro pětiúhelník (červené šipky).
Dále je pole pětiúhelníků připojeno k vytvoření struktury jako 56665 (3a, fáze 4) a poté obnoví původní klikatý vzhled přidáním většího množství vodní páry.
U okrajů ve tvaru židle je situace opačná - nejsou zde žádná pole pětiúhelníků, ale místo toho jsou poměrně často pozorovány krátké mezery jako 5656 na okraji. Délka ploutve 5656 je výrazně kratší než u ploutve 5756. Je to možná proto, že ploutev 5656 je vysoce namáhaná a méně stabilní než ploutev 5756. Počínaje ploutví židle 5756 je 575 kroužků lokálně převedeno na 656 kroužky přidáním dvou vodní pára (3b, fáze 2). Dále prstence 656 rostou v příčném směru a tvoří okraj typu 5656 (3b, stupeň 3), ale s omezenou délkou kvůli akumulaci deformační energie.
Pokud se k šestiúhelníku ploutve 5656 přidá jeden vodní pár, deformace může být částečně oslabena, což opět povede k vytvoření ploutve 5756 (3b, fáze 4).
Výše uvedené výsledky jsou velmi orientační, ale bylo rozhodnuto je podpořit dalšími daty získanými z výpočtů molekulární dynamiky vodní páry na povrchu Au (111).
Bylo zjištěno, že na povrchu se úspěšně a bez překážek vytvořily XNUMXD dvouvrstvé ledové ostrovy, což je v souladu s našimi experimentálními pozorováními.
Obrázek č. 4
Na obrázku 4a Krok za krokem je ukázán mechanismus hromadného vytváření můstků na klikatých žebrech.
Níže jsou mediální materiály k této studii s popisem.
Mediální materiál č. 1
Stojí za zmínku, že jediný pětiúhelník připojený ke klikaté hraně nemůže fungovat jako místní nukleační centrum pro podporu růstu.
Mediální materiál č. 2
Místo toho se zpočátku na klikaté hraně vytvoří periodická, ale nepropojená síť pětiúhelníků a následné přicházející molekuly vody se společně pokoušejí tyto pětiúhelníky spojit, což má za následek vytvoření řetězové struktury typu 565. Bohužel taková struktura nebyla pozorována během praktických pozorování, což vysvětluje jeho extrémně krátkou životnost.
Mediální materiál č. 3 a č. 4
Přidání jednoho vodního páru spojuje strukturu typu 565 a přilehlý pětiúhelník, což má za následek vytvoření struktury typu 5666.
Struktura typu 5666 roste bočně, aby vytvořila strukturu typu 56665 a nakonec se vyvine v plně spojenou hexagonální mřížku.
Mediální materiál č. 5 a č. 6
Na obrázku 4b růst je znázorněn v případě žebra křesla. Přeměna z prstenců typu 575 na prstence typu 656 začíná od spodní vrstvy a tvoří kompozitní strukturu 575/656, kterou nelze v experimentech odlišit od ploutve typu 5756, protože lze zobrazit pouze horní vrstvu dvouvrstvého ledu. během experimentů.
Mediální materiál č. 7
Výsledný můstek 656 se stává nukleačním centrem pro růst žebra 5656.
Mediální materiál č. 8
Přidání jedné molekuly vody k okraji 5656 vede k vysoce mobilní nepárové molekulové struktuře.
Mediální materiál č. 9
Dvě z těchto nepárových molekul vody se mohou následně spojit do stabilnější sedmiúhelníkové struktury, čímž se dokončí konverze z 5656 na 5756.
Pro podrobnější seznámení s nuancemi studie doporučuji nahlédnout .
Epilog
Hlavním závěrem této studie je, že pozorované chování struktur během růstu může být společné všem typům dvourozměrného ledu. Dvouvrstvý šestiúhelníkový led se tvoří na různých hydrofobních površích a za podmínek hydrofobního zadržení, a proto může být považován za samostatný 2D krystal (2D led I), jehož tvorba je necitlivá k podkladové struktuře substrátu.
Vědci upřímně říkají, že jejich zobrazovací technika zatím není vhodná pro práci s trojrozměrným ledem, ale výsledky studia dvourozměrného ledu mohou sloužit jako základ pro vysvětlení procesu tvorby jeho objemového příbuzného. Jinými slovy, pochopení toho, jak se tvoří dvourozměrné struktury, je důležitým základem pro studium trojrozměrných struktur. Právě za tímto účelem plánují vědci svou metodu do budoucna vylepšit.
Děkuji za přečtení, buďte zvědaví a mějte skvělý týden, přátelé. 🙂
Nějaké inzeráty 🙂
Děkujeme, že s námi zůstáváte. Líbí se vám naše články? Chcete vidět více zajímavého obsahu? Podpořte nás objednávkou nebo doporučením přátelům, , jedinečný analog serverů základní úrovně, který jsme pro vás vymysleli: (k dispozici s RAID1 a RAID10, až 24 jader a až 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2krát levnější v datovém centru Equinix Tier IV v Amsterdamu? Pouze zde V Nizozemsku! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB – od 99 $! Číst o
Zdroj: www.habr.com