Mae pawb yn gwybod bod dŵr yn digwydd mewn tri chyflwr agregu. Rydyn ni'n rhoi'r tegell ymlaen, ac mae'r dŵr yn dechrau berwi ac anweddu, gan droi o hylif i nwy. Rydyn ni'n ei roi yn y rhewgell, ac mae'n dechrau troi'n iâ, a thrwy hynny symud o hylif i gyflwr solet. Fodd bynnag, o dan rai amgylchiadau, gall anwedd dŵr sy'n bresennol yn yr aer basio ar unwaith i'r cyfnod solet, gan osgoi'r cyfnod hylif. Gwyddom y broses hon wrth ei chanlyniad - patrymau hardd ar y ffenestri ar ddiwrnod gaeafol rhewllyd. Mae selogion ceir, wrth grafu haen o iâ o'r windshield, yn aml yn nodweddu'r broses hon gan ddefnyddio epithetau nid gwyddonol iawn, ond emosiynol a byw iawn. Un ffordd neu'r llall, bu manylion ffurfio iâ dau ddimensiwn yn gyfrinachol am flynyddoedd lawer. Ac yn ddiweddar, am y tro cyntaf, roedd tîm rhyngwladol o wyddonwyr yn gallu delweddu strwythur atomig rhew dau ddimensiwn yn ystod ei ffurfio. Pa gyfrinachau sydd wedi'u cuddio yn y broses gorfforol hon sy'n ymddangos yn syml, sut y llwyddodd gwyddonwyr i'w datgelu, a sut mae eu canfyddiadau'n ddefnyddiol? Bydd adroddiad y grŵp ymchwil yn dweud wrthym am hyn. Ewch.
Sail ymchwil
Os ydym yn gorliwio, yna mae bron pob gwrthrych o'n cwmpas yn dri dimensiwn. Fodd bynnag, os byddwn yn ystyried rhai ohonynt yn fwy manwl, gallwn hefyd ddod o hyd i rai dau ddimensiwn. Mae cramen o rew sy'n ffurfio ar wyneb rhywbeth yn enghraifft wych o hyn. Nid yw bodolaeth strwythurau o'r fath yn gyfrinach i'r gymuned wyddonol, oherwydd fe'u dadansoddwyd lawer gwaith. Ond y broblem yw ei bod yn eithaf anodd delweddu strwythurau metastabl neu ganolraddol sy'n ymwneud â ffurfio rhew 2D. Mae hyn oherwydd problemau banal - breuder a breuder y strwythurau sy'n cael eu hastudio.
Yn ffodus, mae dulliau sganio modern yn caniatáu dadansoddi samplau heb fawr o effaith, sy'n caniatáu cael y data mwyaf posibl mewn cyfnod byr, oherwydd y rhesymau uchod. Yn yr astudiaeth hon, defnyddiodd y gwyddonwyr ficrosgopeg grym atomig digyswllt, gyda blaen y nodwydd microsgop wedi'i gorchuddio â charbon monocsid (CO). Mae'r cyfuniad o'r offer sganio hyn yn ei gwneud hi'n bosibl cael delweddau amser real o adeileddau ymyl iâ chweochrog dau-haen dau ddimensiwn a dyfir ar arwyneb aur (Au).
Mae microsgopeg wedi dangos bod dau fath o ymylon (segmentau sy'n cysylltu dwy fertig polygon) yn cydfodoli yn ei strwythur yn ystod ffurfio iâ dau ddimensiwn: igam ogam (igam-ogam) a siâp cadair (cadair freichiau).
Ymylon cadair freichiau (chwith) ac igam-ogam (dde) gan ddefnyddio graphene fel enghraifft.
Ar yr adeg hon, cafodd y samplau eu rhewi'n gyflym, gan ganiatáu i'r strwythur atomig gael ei archwilio'n fanwl. Gwnaed gwaith modelu hefyd, ac roedd y canlyniadau'n cyd-fynd i raddau helaeth â'r canlyniadau arsylwi.
Canfuwyd, yn achos ffurfio asennau igam-ogam, bod moleciwl dŵr ychwanegol yn cael ei ychwanegu at yr ymyl presennol, ac mae'r broses gyfan yn cael ei reoleiddio gan y mecanwaith pontio. Ond yn achos ffurfio asennau cadair freichiau, ni chanfuwyd unrhyw foleciwlau ychwanegol, sy'n cyferbynnu'n gryf â syniadau traddodiadol am dwf rhew hecsagonol dwy haen a sylweddau hecsagonol dau-ddimensiwn yn gyffredinol.
Pam y dewisodd gwyddonwyr ficrosgop grym atomig digyswllt ar gyfer eu harsylwadau yn hytrach na microsgop twnelu sganio (STM) neu ficrosgop electron trawsyrru (TEM)? Fel y gwyddom eisoes, mae'r dewis yn gysylltiedig ag anhawster astudio strwythurau byrhoedlog a bregus rhew dau ddimensiwn. Defnyddiwyd STM yn flaenorol i astudio rhew 2D a dyfir ar wahanol arwynebau, ond nid yw'r math hwn o ficrosgop yn sensitif i leoliad niwclysau, a gall ei flaen achosi gwallau delweddu. Mae TEM, i'r gwrthwyneb, yn dangos yn berffaith strwythur atomig yr asennau. Fodd bynnag, mae angen electronau ynni uchel i gael delweddau o ansawdd uchel, a all newid neu hyd yn oed ddinistrio strwythur ymyl deunyddiau XNUMXD sydd wedi'u bondio'n cofalent, heb sôn am yr ymylon sydd wedi'u bondio'n fwy llac mewn iâ XNUMXD.
Nid oes gan ficrosgop grym atomig anfanteision o'r fath, ac mae blaen wedi'i orchuddio â CO yn caniatáu astudio dŵr rhyngwynebol heb fawr o ddylanwad ar foleciwlau dŵr.
Canlyniadau ymchwil
Delwedd #1
Tyfwyd iâ dau ddimensiwn ar wyneb Au(111) ar dymheredd o tua 120 K, a'i drwch oedd 2.5 Å (1).
Delweddau STM o iâ (1c) a'r Fourier cyflym cyfatebol yn trawsnewid delwedd (mewnosod yn 1) dangos strwythur hecsagonol trefnus gyda chyfnodoldeb o Au(111)-√3 x √3-30°. Er bod y rhwydwaith cellog o iâ 2D sy'n gysylltiedig â H yn weladwy yn y ddelwedd STM, mae'n anodd pennu topoleg fanwl y strwythurau ymyl. Ar yr un pryd, rhoddodd AFM gyda shifft amledd (Δf) o'r un ardal sampl ddelweddau gwell (1d), a oedd yn ei gwneud hi'n bosibl delweddu rhannau siâp cadair ac igam ogam o'r strwythur. Mae cyfanswm hyd y ddau amrywiad yn debyg, ond mae hyd cyfartalog yr asen rhagflaenol ychydig yn hirach (1b). Gall asennau igam-ogam dyfu hyd at 60 Å o hyd, ond mae rhai siâp cadair yn cael eu gorchuddio â diffygion wrth eu ffurfio, sy'n lleihau eu hyd mwyaf i 10-30 Å.
Nesaf, cynhaliwyd delweddu AFM systematig ar wahanol uchder nodwyddau (2).
Delwedd #2
Ar uchder y blaen uchaf, pan fydd y signal AFM yn cael ei ddominyddu gan rym electrostatig lefel uwch, nodwyd dwy set o is-lattices √3 x √3 mewn iâ deuhaen dau ddimensiwn, a dangosir un ohonynt yn 2 (chwith).
Ar uchder nodwyddau is, mae elfennau llachar yr is-arae hwn yn dechrau dangos cyfeiriadedd, ac mae'r is-arae arall yn troi'n elfen siâp V (2a, wedi'i ganoli).
Ar uchder nodwydd lleiaf, mae AFM yn datgelu adeiledd crwybr gyda llinellau clir yn cysylltu dau sublattices, sy'n atgoffa rhywun o fondiau H (2a, ar y dde).
Mae cyfrifiadau theori swyddogaethol dwysedd yn dangos bod iâ dau ddimensiwn a dyfir ar wyneb Au(111) yn cyfateb i strwythur iâ dwy haen sy'n cyd-gloi (2c), sy'n cynnwys dwy haen hecsagonol fflat o ddŵr. Mae hecsagonau'r ddwy ddalen yn gyfun, a'r ongl rhwng y moleciwlau dŵr yn yr awyren yw 120°.
Ym mhob haen o ddŵr, mae hanner y moleciwlau dŵr yn gorwedd yn llorweddol (cyfochrog â'r swbstrad) a'r hanner arall yn gorwedd yn fertigol (perpendicwlar i'r swbstrad), gydag un O–H yn pwyntio i fyny neu i lawr. Mae dŵr sy'n gorwedd yn fertigol mewn un haen yn rhoi bond H i ddŵr llorweddol mewn haen arall, gan arwain at strwythur siâp H llawn dirlawn.
Efelychiad AFM gan ddefnyddio tip pedwarpol (dz 2) (2b) yn seiliedig ar y model uchod yn cytuno'n dda â chanlyniadau arbrofol (2a). Yn anffodus, mae uchder tebyg dŵr llorweddol a fertigol yn ei gwneud hi'n anodd eu hadnabod yn ystod delweddu STM. Fodd bynnag, wrth ddefnyddio microsgopeg grym atomig, mae moleciwlau'r ddau fath o ddŵr yn hawdd eu hadnabod (2a и 2b iawn) oherwydd bod y grym electrostatig lefel uwch yn sensitif iawn i gyfeiriadedd moleciwlau dŵr.
Roedd hefyd yn bosibl pennu cyfeiriadedd O-H dŵr llorweddol a fertigol ymhellach trwy'r rhyngweithio rhwng grymoedd electrostatig lefel uwch a grymoedd gwrthyrrol Pauli, fel y dangosir gan y llinellau coch yn 2 и 2b (canol).
Delwedd #3
Yn y delweddau 3 и 3b (Cam 1) yn dangos delweddau AFM mwy o esgyll igam-ogam ac esgyll cadair freichiau, yn y drefn honno. Canfuwyd bod yr ymyl igam-ogam yn tyfu tra'n cynnal ei strwythur gwreiddiol, a chyda thwf yr ymyl siâp cadair, mae'r ymyl yn cael ei adfer yn strwythur cyfnodol 5756 o gylchoedd, h.y. pan fydd strwythur yr asennau yn ailadrodd y dilyniant pentagon - heptagon - pentagon - hecsagon o bryd i'w gilydd.
Mae cyfrifiadau theori swyddogaethol dwysedd yn dangos mai'r asgell igam-ogam heb ei hailadeiladu ac asgell gadair 5756 yw'r rhai mwyaf sefydlog. Mae ymyl 5756 yn cael ei ffurfio o ganlyniad i effeithiau cyfunol sy'n lleihau nifer y bondiau hydrogen annirlawn ac yn lleihau egni straen.
Mae gwyddonwyr yn cofio bod yr awyrennau gwaelodol o rew hecsagonol fel arfer yn gorffen mewn asennau igam-ogam, ac mae asennau siâp cadair yn absennol oherwydd dwysedd uwch bondiau hydrogen annirlawn. Fodd bynnag, mewn systemau bach neu lle mae gofod yn gyfyngedig, gall esgyll cadeiriau leihau eu hynni trwy ailgynllunio priodol.
Fel y soniwyd yn gynharach, pan ataliwyd twf rhew yn 120 K, cafodd y sampl ei oeri ar unwaith i 5 K i geisio rhewi strwythurau metastable neu ymyl pontio a sicrhau bywyd sampl cymharol hir ar gyfer astudiaeth fanwl gan ddefnyddio STM ac AFM. Roedd hefyd yn bosibl ail-greu proses dwf rhew dau ddimensiwn (delwedd Rhif 3) diolch i'r tip microsgop â swyddogaeth CO, a oedd yn ei gwneud hi'n bosibl canfod strwythurau metastabl a thrawsnewid.
Yn achos asennau igam-ogam, weithiau canfuwyd pentagonau unigol ynghlwm wrth yr asennau syth. Gallent linellu mewn rhes, gan ffurfio arae gyda chyfnodoldeb o 2 x aice (aice yw cysonyn dellt iâ dau ddimensiwn). Gall yr arsylwad hwn ddangos bod twf ymylon igam ogam yn cael ei gychwyn trwy ffurfio amrywiaeth cyfnodol o bentagonau (3, cam 1-3), sy'n golygu ychwanegu dau bâr dŵr ar gyfer y pentagon (saethau coch).
Nesaf, mae'r amrywiaeth o bentagonau wedi'u cysylltu i ffurfio strwythur fel 56665 (3, cam 4), ac yna'n adfer yr ymddangosiad igam-ogam gwreiddiol trwy ychwanegu mwy o anwedd dŵr.
Gydag ymylon siâp cadair mae'r sefyllfa i'r gwrthwyneb - nid oes unrhyw araeau o bentagonau, ond yn lle hynny gwelir bylchau byr fel 5656 ar yr ymyl yn eithaf aml. Mae hyd yr asgell 5656 yn sylweddol fyrrach na'r 5756. Mae hyn o bosibl oherwydd bod yr asgell 5656 dan straen mawr ac yn llai sefydlog na'r 5756. Gan ddechrau gydag asgell 5756, caiff 575 o fodrwyau eu trosi'n lleol i 656 o fodrwyau trwy ychwanegu dwy. anwedd dŵr (3b, cam 2). Nesaf, mae'r 656 o gylchoedd yn tyfu i'r cyfeiriad traws, gan ffurfio ymyl y math 5656 (3b, cam 3), ond gyda hyd cyfyngedig oherwydd cronni egni dadffurfiad.
Os ychwanegir un pâr dŵr at hecsagon asgell 5656, gellir gwanhau'r anffurfiad yn rhannol, a bydd hyn eto'n arwain at ffurfio asgell 5756 (3b, cam 4).
Mae'r canlyniadau uchod yn ddangosol iawn, ond penderfynwyd eu cefnogi gyda data ychwanegol a gafwyd o gyfrifiadau dynameg moleciwlaidd o anwedd dŵr ar wyneb Au (111).
Canfuwyd bod ynysoedd iâ haen dwbl 2D yn ffurfio'n llwyddiannus ac yn ddirwystr ar yr wyneb, sy'n gyson â'n harsylwadau arbrofol.
Delwedd #4
Ar y ddelwedd 4 Dangosir mecanwaith ffurfio pontydd ar y cyd ar asennau igam-ogam gam wrth gam.
Isod mae deunyddiau cyfryngau ar yr astudiaeth hon gyda disgrifiad.
Deunydd cyfryngau Rhif 1
Mae'n werth nodi na all un pentagon sydd ynghlwm wrth ymyl igam-ogam weithredu fel canolfan gnewyllol leol i hybu twf.
Deunydd cyfryngau Rhif 2
Yn lle hynny, mae rhwydwaith cyfnodol ond digyswllt o bentagonau yn ffurfio i ddechrau ar yr ymyl igam-ogam, ac mae moleciwlau dŵr sy'n dod i mewn dilynol gyda'i gilydd yn ceisio cysylltu'r pentagonau hyn, gan arwain at ffurfio strwythur cadwyn math 565. Yn anffodus, ni welwyd strwythur o'r fath yn ystod arsylwadau ymarferol, sy'n egluro ei oes hynod o fyr.
Deunydd cyfryngau Rhif 3 a Rhif 4
Mae ychwanegu un pâr dŵr yn cysylltu'r strwythur math 565 a'r pentagon cyfagos, gan arwain at ffurfio strwythur math 5666.
Mae'r strwythur math 5666 yn tyfu'n ochrol i ffurfio'r strwythur math 56665 ac yn y pen draw mae'n datblygu i fod yn dellt hecsagonol wedi'i gysylltu'n llawn.
Deunydd cyfryngau Rhif 5 a Rhif 6
Ar y ddelwedd 4b dangosir twf yn achos asen cadair freichiau. Mae'r trawsnewidiad o fodrwyau math 575 i gylchoedd math 656 yn dechrau o'r haen isaf, gan ffurfio strwythur cyfansawdd 575/656 na ellir ei wahaniaethu o fin math 5756 yn yr arbrofion, gan mai dim ond haen uchaf y rhew dwy haen y gellir ei ddelweddu. yn ystod yr arbrofion.
Deunydd cyfryngau Rhif 7
Daw pont 656 o ganlyniad yn ganolfan gnewyllol ar gyfer twf yr asen 5656.
Deunydd cyfryngau Rhif 8
Mae ychwanegu un moleciwl dŵr at ymyl 5656 yn arwain at strwythur moleciwlaidd hynod symudol heb bâr.
Deunydd cyfryngau Rhif 9
Gall dau o'r moleciwlau dŵr heb eu paru hyn gyfuno wedyn yn strwythur heptagonol mwy sefydlog, gan gwblhau'r trawsnewid o 5656 i 5756.
I gael adnabyddiaeth fanylach o naws yr astudiaeth, rwy'n argymell edrych arno .
Epilogue
Prif gasgliad yr astudiaeth hon yw y gall ymddygiad strwythurau a arsylwyd yn ystod twf fod yn gyffredin i bob math o iâ dau ddimensiwn. Mae iâ chweochrog deulayer yn ffurfio ar wahanol arwynebau hydroffobig ac o dan amodau cyfyngu hydroffobig, ac felly gellir ei ystyried yn grisial 2D ar wahân (rhew 2D I), y mae ei ffurfiant yn ansensitif i strwythur gwaelodol y swbstrad.
Mae gwyddonwyr yn dweud yn onest nad yw eu techneg ddelweddu eto'n addas ar gyfer gweithio gyda rhew tri dimensiwn, ond gall canlyniadau astudio rhew dau ddimensiwn fod yn sail ar gyfer esbonio proses ffurfio ei berthynas cyfeintiol. Mewn geiriau eraill, mae deall sut mae strwythurau dau-ddimensiwn yn ffurfio yn sylfaen bwysig ar gyfer astudio rhai tri dimensiwn. At y diben hwn y mae'r ymchwilwyr yn bwriadu gwella eu dull yn y dyfodol.
Diolch am ddarllen, arhoswch yn chwilfrydig a chael wythnos wych bois. 🙂
Rhai hysbysebion 🙂
Diolch am aros gyda ni. Ydych chi'n hoffi ein herthyglau? Eisiau gweld cynnwys mwy diddorol? Cefnogwch ni trwy osod archeb neu argymell i ffrindiau, , analog unigryw o weinyddion lefel mynediad, a ddyfeisiwyd gennym ni ar eich cyfer chi: (ar gael gyda RAID1 a RAID10, hyd at 24 craidd a hyd at 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 gwaith yn rhatach yng nghanolfan ddata Equinix Haen IV yn Amsterdam? Dim ond yma yn yr Iseldiroedd! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - o $99! Darllenwch am
Ffynhonnell: hab.com