Alle ved, at vand forekommer i tre aggregeringstilstande. Vi sætter kedlen på, og vandet begynder at koge og fordampe og bliver fra flydende til gasformigt. Vi sætter det i fryseren, og det begynder at blive til is og bevæger sig derved fra en flydende til en fast tilstand. Men under visse omstændigheder kan vanddamp, der er til stede i luften, straks passere ind i den faste fase, uden om den flydende fase. Vi kender denne proces på resultatet - smukke mønstre på vinduerne på en frostklar vinterdag. Bilentusiaster, når de skraber et lag is fra forruden, karakteriserer ofte denne proces ved hjælp af ikke særlig videnskabelige, men meget følelsesmæssige og levende tilnavne. På den ene eller anden måde var detaljerne om dannelsen af todimensionel is indhyllet i hemmeligholdelse i mange år. Og for nylig var et internationalt hold af forskere i stand til at visualisere den atomare struktur af todimensionel is under dens dannelse. Hvilke hemmeligheder er gemt i denne tilsyneladende simple fysiske proces, hvordan lykkedes det forskerne at afsløre dem, og hvordan er deres resultater nyttige? Forskergruppens rapport vil fortælle os om dette. Gå.
Forskningsgrundlag
Hvis vi overdriver, så er stort set alle objekter omkring os tredimensionelle. Men hvis vi overvejer nogle af dem mere omhyggeligt, kan vi også finde todimensionelle. En isskorpe, der dannes på overfladen af noget, er et godt eksempel på dette. Eksistensen af sådanne strukturer er ikke en hemmelighed for det videnskabelige samfund, fordi de er blevet analyseret mange gange. Men problemet er, at det er ret svært at visualisere metastabile eller mellemliggende strukturer involveret i dannelsen af 2D-is. Dette skyldes banale problemer - skrøbeligheden og skrøbeligheden af de strukturer, der undersøges.
Heldigvis gør moderne scanningsmetoder det muligt at analysere prøver med minimal påvirkning, hvilket gør det muligt at opnå maksimale data på kort tid på grund af ovenstående årsager. I denne undersøgelse brugte forskerne ikke-kontakt atomkraftmikroskopi med spidsen af mikroskopnålen belagt med kulilte (CO). Kombinationen af disse scanningsværktøjer gør det muligt at opnå realtidsbilleder af kantstrukturerne af todimensionel tolags sekskantet is dyrket på en guldoverflade (Au).
Mikroskopi har vist, at under dannelsen af todimensional is eksisterer to typer kanter (segmenter, der forbinder to hjørner af en polygon) samtidigt i dens struktur: zigzag (siksak) og stoleformet (lænestol).
Lænestol (venstre) og zigzag (højre) kanter med grafen som eksempel.
På dette stadium blev prøverne hurtigt frosset, hvilket gjorde det muligt at undersøge atomstrukturen i detaljer. Der blev også udført modellering, hvis resultater stort set faldt sammen med observationsresultaterne.
Det blev konstateret, at i tilfælde af dannelse af zigzag-ribber tilføjes et yderligere vandmolekyle til den eksisterende kant, og hele processen reguleres af bromekanismen. Men i tilfælde af dannelsen af lænestolsribber blev der ikke påvist yderligere molekyler, hvilket står i stærk kontrast til traditionelle ideer om væksten af to-lags sekskantet is og todimensionelle sekskantede stoffer generelt.
Hvorfor valgte videnskabsmænd et ikke-kontakt atomkraftmikroskop til deres observationer i stedet for et scanning tunneling mikroskop (STM) eller transmission elektronmikroskop (TEM)? Som vi allerede ved, er valget relateret til vanskeligheden ved at studere de kortlivede og skrøbelige strukturer af todimensionel is. STM er tidligere blevet brugt til at studere 2D-is dyrket på forskellige overflader, men denne type mikroskop er ikke følsom over for kernernes position, og dens spids kan forårsage billedfejl. TEM viser tværtimod perfekt ribbens atomare struktur. Men at opnå billeder af høj kvalitet kræver højenergielektroner, som nemt kan ændre eller endda ødelægge kantstrukturen af kovalent bundne XNUMXD-materialer, for ikke at nævne de mere løst bundne kanter i XNUMXD-is.
Et atomkraftmikroskop har ikke sådanne ulemper, og en CO-belagt spids tillader undersøgelse af grænsefladevand med minimal indflydelse på vandmolekyler.
Forskningsresultater
Billede #1
Todimensionel is blev dyrket på Au(111) overfladen ved en temperatur på omkring 120 K, og dens tykkelse var 2.5 Å (1a).
STM billeder af is (1c) og det tilsvarende hurtige Fourier-transformationsbillede (indsat i 1a) viser en velordnet hexagonal struktur med en periodicitet på Au(111)-√3 x √3-30°. Selvom det cellulære H-forbundne netværk af 2D-is er synligt i STM-billedet, er den detaljerede topologi af kantstrukturerne vanskelig at bestemme. Samtidig gav AFM med et frekvensskift (Δf) af det samme prøveområde bedre billeder (1d), hvilket gjorde det muligt at visualisere stoleformede og zigzag sektioner af strukturen. Den samlede længde af begge varianter er sammenlignelig, men den gennemsnitlige længde af forgængerens ribben er lidt længere (1b). Zigzag-ribber kan blive op til 60 Å i længden, men de stoleformede bliver dækket af defekter under dannelsen, hvilket reducerer deres maksimale længde til 10-30 Å.
Dernæst blev systematisk AFM-billeddannelse udført ved forskellige nålehøjder (2a).
Billede #2
Ved den højeste spidshøjde, når AFM-signalet er domineret af højere ordens elektrostatisk kraft, blev to sæt af √3 x √3 subgitter i todimensionel dobbeltlags is identificeret, hvoraf det ene er vist i 2a (venstre).
Ved lavere nålehøjder begynder de lyse elementer i denne subarray at vise retningsbestemthed, og den anden subarray bliver til et V-formet element (2a, centreret).
Ved minimum nålehøjde afslører AFM en bikagestruktur med klare linjer, der forbinder to undergitter, der minder om H-bindinger (2a, til højre).
Tæthedsfunktionsteoretiske beregninger viser, at todimensionel is, der vokser på Au(111)-overfladen, svarer til en sammenlåsende to-lags isstruktur (2 с), bestående af to flade sekskantede lag af vand. Sekskanterne af de to ark er konjugeret, og vinklen mellem vandmolekylerne i planet er 120°.
I hvert lag vand ligger halvdelen af vandmolekylerne vandret (parallelt med substratet) og den anden halvdel ligger lodret (vinkelret på substratet), med en O-H pegende op eller ned. Lodret liggende vand i et lag donerer en H-binding til vandret vand i et andet lag, hvilket resulterer i en fuldt mættet H-formet struktur.
AFM-simulering ved hjælp af en quadrupol (dz 2) spids (2b) baseret på ovenstående model er i god overensstemmelse med eksperimentelle resultater (2a). Desværre gør de lignende højder af vandret og lodret vand deres identifikation vanskelig under STM-billeddannelse. Men når du bruger atomkraftmikroskopi, er molekylerne i begge typer vand tydeligt skelnelige (2a и 2b højre), fordi den højere ordens elektrostatiske kraft er meget følsom over for orienteringen af vandmolekyler.
Det var også muligt yderligere at bestemme OH-retningsevnen af vandret og lodret vand gennem interaktionen mellem højere ordens elektrostatiske kræfter og Pauli frastødende kræfter, som vist med de røde linjer i 2a и 2b (centrum).
Billede #3
I billederne 3a и 3b (Stage 1) viser forstørrede AFM-billeder af henholdsvis zigzag- og lænestolsfinner. Man fandt ud af, at zigzag-kanten vokser med bibeholdelse af sin oprindelige struktur, og med væksten af den stoleformede kant genoprettes kanten i den periodiske struktur af 5756 ringe, dvs. når strukturen af ribbenene periodisk gentager sekvensen femkant - sekskant - femkant - sekskant.
Densitets funktionsteoretiske beregninger viser, at den ikke-rekonstruerede zigzag finne og 5756 stolefinnen er de mest stabile. 5756-kanten er dannet som et resultat af kombinerede effekter, der minimerer antallet af umættede brintbindinger og reducerer belastningsenergien.
Forskere husker, at de basale planer af sekskantet is normalt ender i zigzag-ribber, og stoleformede ribber er fraværende på grund af den højere tæthed af umættede hydrogenbindinger. Men i små systemer, eller hvor pladsen er begrænset, kan stolefinner reducere deres energi gennem korrekt redesign.
Som nævnt tidligere, da isvækst ved 120 K blev stoppet, blev prøven straks afkølet til 5 K for at forsøge at fryse metastabile eller overgangskantstrukturer og sikre en relativt lang prøvelevetid til detaljeret undersøgelse ved hjælp af STM og AFM. Det var også muligt at rekonstruere vækstprocessen af todimensionel is (billede nr. 3) takket være den CO-funktionaliserede mikroskopspids, som gjorde det muligt at detektere metastabile og overgangsstrukturer.
I tilfælde af zigzag ribben blev enkelte femkanter nogle gange fundet knyttet til de lige ribben. De kunne stille op i en række og danne et array med en periodicitet på 2 x aice (aice er gitterkonstanten for todimensionel is). Denne observation kan indikere, at væksten af zigzag-kanter initieres af dannelsen af et periodisk array af femkanter (3a, trin 1-3), som involverer tilføjelse af to vandpar til femkanten (røde pile).
Dernæst forbindes rækken af femkanter for at danne en struktur som 56665 (3a, trin 4), og gendanner derefter det oprindelige zigzag-udseende ved at tilføje mere vanddamp.
Med stoleformede kanter er situationen den modsatte - der er ingen arrays af femkanter, men i stedet observeres korte mellemrum som 5656 på kanten ret ofte. Længden af 5656-finnen er væsentligt kortere end 5756-ens. Dette skyldes muligvis, at 5656-finnen er meget belastet og mindre stabil end 5756. Fra og med 5756-stolefinnen bliver 575 ringe lokalt konverteret til 656 ringe ved at tilføje to ringe. vanddamp (3b, trin 2). Dernæst vokser 656-ringene i den tværgående retning og danner en kant af 5656-typen (3b, trin 3), men med en begrænset længde på grund af akkumulering af deformationsenergi.
Hvis der tilføjes et vandpar til sekskanten på en 5656 finne, kan deformationen blive delvist svækket, og dette vil igen føre til dannelsen af en 5756 finne (3b, trin 4).
Ovenstående resultater er meget vejledende, men det blev besluttet at understøtte dem med yderligere data opnået fra molekylær dynamikberegninger af vanddamp på Au (111) overfladen.
Det blev fundet, at XNUMXD dobbeltlags isøer dannedes med succes og uhindret på overfladen, hvilket er i overensstemmelse med vores eksperimentelle observationer.
Billede #4
På billedet 4a Mekanismen for kollektiv dannelse af broer på zigzag-ribber er vist trin for trin.
Nedenfor er mediemateriale om denne undersøgelse med en beskrivelse.
Mediemateriale nr. 1
Det er værd at bemærke, at en enkelt femkant knyttet til en zigzag-kant ikke kan fungere som et lokalt kernedannelsescenter for at fremme vækst.
Mediemateriale nr. 2
I stedet dannes der i begyndelsen et periodisk, men ikke-forbundet netværk af femkanter på zigzag-kanten, og efterfølgende indkommende vandmolekyler forsøger kollektivt at forbinde disse femkanter, hvilket resulterer i dannelsen af en kædestruktur af typen 565. Desværre er en sådan struktur ikke blevet observeret under praktiske observationer, hvilket forklarer dens ekstremt korte levetid.
Mediemateriale nr. 3 og nr. 4
Tilføjelsen af et vandpar forbinder 565-typestrukturen og den tilstødende femkant, hvilket resulterer i dannelsen af 5666-typestrukturen.
5666-typestrukturen vokser sideværts for at danne 56665-typestrukturen og udvikler sig til sidst til et fuldt forbundet sekskantet gitter.
Mediemateriale nr. 5 og nr. 6
På billedet 4b vækst er vist i tilfælde af en lænestolsribbe. Konverteringen fra type 575-ringe til type 656-ringe starter fra det nederste lag og danner en sammensat 575/656-struktur, der ikke kan skelnes fra en type 5756-finne i eksperimenterne, da kun det øverste lag af tolagsisen kan afbildes under forsøgene.
Mediemateriale nr. 7
Den resulterende bro 656 bliver kernedannelsescentret for væksten af 5656 ribben.
Mediemateriale nr. 8
Tilføjelse af et vandmolekyle til en 5656-kant resulterer i en meget mobil uparret molekylestruktur.
Mediemateriale nr. 9
To af disse uparrede vandmolekyler kan efterfølgende kombineres til en mere stabil sekskantet struktur, hvilket fuldender konverteringen fra 5656 til 5756.
For et mere detaljeret bekendtskab med nuancerne i undersøgelsen, anbefaler jeg at se på .
Epilog
Hovedkonklusionen af denne undersøgelse er, at den observerede adfærd af strukturer under vækst kan være fælles for alle typer af todimensionel is. Tolags hexagonal is dannes på forskellige hydrofobe overflader og under hydrofobe indeslutningsforhold og kan derfor betragtes som en separat 2D krystal (2D is I), hvis dannelse er ufølsom over for den underliggende struktur af substratet.
Forskere siger ærligt, at deres billedbehandlingsteknik endnu ikke er egnet til at arbejde med tredimensionel is, men resultaterne af at studere todimensionel is kan tjene som grundlag for at forklare dannelsesprocessen for dens volumetriske slægtning. Med andre ord er forståelsen af, hvordan todimensionelle strukturer dannes, et vigtigt grundlag for at studere tredimensionelle. Det er til dette formål, at forskerne planlægger at forbedre deres metodik i fremtiden.
Tak fordi du læste med, bliv nysgerrig og hav en god uge gutter. 🙂
Nogle annoncer 🙂
Tak fordi du blev hos os. Kan du lide vores artikler? Vil du se mere interessant indhold? Støt os ved at afgive en ordre eller anbefale til venner, , en unik analog af entry-level servere, som blev opfundet af os til dig: (tilgængelig med RAID1 og RAID10, op til 24 kerner og op til 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 gange billigere i Equinix Tier IV datacenter i Amsterdam? Kun her i Holland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra $99! Læse om
Kilde: www.habr.com