Jeder weiß, dass Wasser in drei Aggregatzuständen vorkommt. Wir setzen den Wasserkocher auf und das Wasser beginnt zu kochen und zu verdampfen, wobei es sich von flüssig in gasförmig verwandelt. Wir legen es in den Gefrierschrank und es beginnt sich in Eis zu verwandeln, wodurch es vom flüssigen in den festen Zustand übergeht. Unter bestimmten Umständen kann jedoch in der Luft vorhandener Wasserdampf unter Umgehung der flüssigen Phase sofort in die feste Phase übergehen. Wir kennen diesen Vorgang an seinem Ergebnis – wunderschöne Muster auf den Fenstern an einem frostigen Wintertag. Wenn Autoenthusiasten eine Eisschicht von der Windschutzscheibe kratzen, charakterisieren sie diesen Vorgang oft mit wenig wissenschaftlichen, aber sehr emotionalen und anschaulichen Beinamen. Auf die eine oder andere Weise waren die Einzelheiten der Bildung von zweidimensionalem Eis viele Jahre lang geheim. Und kürzlich konnte ein internationales Wissenschaftlerteam erstmals die atomare Struktur von zweidimensionalem Eis während seiner Entstehung sichtbar machen. Welche Geheimnisse verbergen sich hinter diesem scheinbar einfachen physikalischen Vorgang, wie gelang es den Wissenschaftlern, sie zu lüften, und welchen Nutzen haben ihre Erkenntnisse? Der Bericht der Forschungsgruppe wird uns darüber informieren. Gehen.
Forschungsgrundlage
Wenn wir übertreiben, dann sind praktisch alle Objekte um uns herum dreidimensional. Wenn wir einige davon jedoch genauer betrachten, können wir auch zweidimensionale finden. Ein Paradebeispiel hierfür ist eine Eiskruste, die sich auf der Oberfläche von etwas bildet. Die Existenz solcher Strukturen ist für die wissenschaftliche Gemeinschaft kein Geheimnis, da sie bereits mehrfach analysiert wurden. Das Problem besteht jedoch darin, dass es ziemlich schwierig ist, metastabile oder intermediäre Strukturen sichtbar zu machen, die an der Bildung von 2D-Eis beteiligt sind. Dies ist auf banale Probleme zurückzuführen – die Fragilität und Fragilität der untersuchten Strukturen.
Glücklicherweise ermöglichen moderne Scanmethoden aus den oben genannten Gründen die Analyse von Proben mit minimalem Aufwand, wodurch in kurzer Zeit maximale Daten gewonnen werden können. In dieser Studie verwendeten die Wissenschaftler die berührungslose Rasterkraftmikroskopie, wobei die Spitze der Mikroskopnadel mit Kohlenmonoxid (CO) beschichtet war. Die Kombination dieser Scan-Tools ermöglicht es, Echtzeitbilder der Randstrukturen von zweidimensionalem, zweischichtigem hexagonalem Eis zu erhalten, das auf einer Goldoberfläche (Au) gewachsen ist.
Die Mikroskopie hat gezeigt, dass bei der Bildung von zweidimensionalem Eis in seiner Struktur gleichzeitig zwei Arten von Kanten (Segmente, die zwei Eckpunkte eines Polygons verbinden) nebeneinander existieren: Zickzack (Zickzack-) und stuhlförmig (Sessel).
Sessel (links) und Zickzackkanten (rechts) am Beispiel von Graphen.
Zu diesem Zeitpunkt wurden die Proben schnell eingefroren, sodass die atomare Struktur im Detail untersucht werden konnte. Es wurden auch Modellierungen durchgeführt, deren Ergebnisse weitgehend mit den Beobachtungsergebnissen übereinstimmten.
Es wurde festgestellt, dass bei der Bildung von Zick-Zack-Rippen ein zusätzliches Wassermolekül an die vorhandene Kante angelagert wird und der gesamte Prozess durch den Brückenmechanismus reguliert wird. Im Falle der Bildung von Sesselrippen wurden jedoch keine zusätzlichen Moleküle nachgewiesen, was in starkem Widerspruch zu traditionellen Vorstellungen über das Wachstum von zweischichtigem hexagonalem Eis und zweidimensionalen hexagonalen Substanzen im Allgemeinen steht.
Warum haben Wissenschaftler für ihre Beobachtungen ein berührungsloses Rasterkraftmikroskop anstelle eines Rastertunnelmikroskops (STM) oder eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) gewählt? Wie wir bereits wissen, hängt die Wahl mit der Schwierigkeit zusammen, die kurzlebigen und fragilen Strukturen von zweidimensionalem Eis zu untersuchen. STM wurde bisher zur Untersuchung von zweidimensionalem Eis verwendet, das auf verschiedenen Oberflächen gewachsen ist. Dieser Mikroskoptyp reagiert jedoch nicht empfindlich auf die Position von Kernen und seine Spitze kann Abbildungsfehler verursachen. TEM hingegen zeigt perfekt die atomare Struktur der Rippen. Um qualitativ hochwertige Bilder zu erhalten, sind jedoch hochenergetische Elektronen erforderlich, die die Kantenstruktur kovalent gebundener 2D-Materialien leicht verändern oder sogar zerstören können, ganz zu schweigen von den lockerer gebundenen Kanten in XNUMXD-Eis.
Ein Rasterkraftmikroskop hat solche Nachteile nicht und eine CO-beschichtete Spitze ermöglicht die Untersuchung von Grenzflächenwasser mit minimalem Einfluss auf Wassermoleküle.
Ergebnisse der Studie
Bild #1
Auf der Au(111)-Oberfläche wuchs bei einer Temperatur von etwa 120 K zweidimensionales Eis mit einer Dicke von 2.5 Å (1a).
STM-Bilder von Eis (1c) und das entsprechende schnelle Fourier-Transformationsbild (Einschub in 1a) zeigen eine wohlgeordnete hexagonale Struktur mit einer Periodizität von Au(111)-√3 x √3-30°. Obwohl das zelluläre H-verknüpfte Netzwerk von 2D-Eis im STM-Bild sichtbar ist, ist die detaillierte Topologie der Randstrukturen schwer zu bestimmen. Gleichzeitig lieferte AFM mit einer Frequenzverschiebung (Δf) des gleichen Probenbereichs bessere Bilder (1d), wodurch stuhlförmige und zickzackförmige Abschnitte der Struktur sichtbar gemacht werden konnten. Die Gesamtlänge beider Varianten ist vergleichbar, die durchschnittliche Länge der Vorgängerrippe ist jedoch etwas länger (1b). Zickzackrippen können eine Länge von bis zu 60 Å erreichen, stuhlförmige Rippen werden jedoch während der Bildung mit Defekten bedeckt, wodurch sich ihre maximale Länge auf 10–30 Å verringert.
Als nächstes wurde eine systematische AFM-Bildgebung bei verschiedenen Nadelhöhen durchgeführt (2a).
Bild #2
Auf der höchsten Spitzenhöhe, wenn das AFM-Signal von elektrostatischer Kraft höherer Ordnung dominiert wird, wurden zwei Sätze von √3 x √3-Untergittern in zweidimensionalem Doppelschichteis identifiziert, von denen einer in gezeigt ist 2a (links).
Bei niedrigeren Nadelhöhen beginnen die hellen Elemente dieses Subarrays eine Richtungsabhängigkeit zu zeigen, und das andere Subarray verwandelt sich in ein V-förmiges Element (2a, zentriert).
Bei minimaler Nadelhöhe zeigt AFM eine Wabenstruktur mit klaren Linien, die zwei Untergitter verbinden und an H-Brücken erinnern (2a, rechts).
Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie zeigen, dass zweidimensionales Eis, das auf der Au(111)-Oberfläche gewachsen ist, einer ineinandergreifenden zweischichtigen Eisstruktur entspricht (2с), bestehend aus zwei flachen sechseckigen Wasserschichten. Die Sechsecke der beiden Schichten sind konjugiert und der Winkel zwischen den Wassermolekülen in der Ebene beträgt 120°.
In jeder Wasserschicht liegt die Hälfte der Wassermoleküle horizontal (parallel zum Substrat) und die andere Hälfte vertikal (senkrecht zum Substrat), wobei ein O–H nach oben oder unten zeigt. Vertikal liegendes Wasser in einer Schicht gibt eine H-Bindung an horizontales Wasser in einer anderen Schicht ab, was zu einer vollständig gesättigten H-förmigen Struktur führt.
AFM-Simulation mit einer Quadrupolspitze (dz 2) (2b), basierend auf dem obigen Modell, stimmt gut mit experimentellen Ergebnissen überein (2a). Leider erschweren die ähnlichen Höhen von horizontalem und vertikalem Wasser ihre Identifizierung bei der STM-Bildgebung. Mithilfe der Rasterkraftmikroskopie sind die Moleküle beider Wasserarten jedoch deutlich unterscheidbar (2a и 2b rechts), da die elektrostatische Kraft höherer Ordnung sehr empfindlich auf die Ausrichtung der Wassermoleküle reagiert.
Es war auch möglich, die OH-Richtung von horizontalem und vertikalem Wasser durch die Wechselwirkung zwischen elektrostatischen Kräften höherer Ordnung und Pauli-Abstoßungskräften weiter zu bestimmen, wie die roten Linien in zeigen 2a и 2b (Center).
Bild #3
Auf den Bildern 3a и 3b (Stufe 1) zeigt vergrößerte AFM-Bilder von Zickzack- bzw. Sesselflossen. Es wurde festgestellt, dass die Zickzackkante unter Beibehaltung ihrer ursprünglichen Struktur wächst und mit dem Wachstum der stuhlförmigen Kante die Kante in der periodischen Struktur von 5756 Ringen wiederhergestellt wird, d. h. wenn die Struktur der Rippen periodisch die Reihenfolge Fünfeck – Siebeneck – Fünfeck – Sechseck wiederholt.
Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie zeigen, dass die unrekonstruierte Zickzackflosse und die Stuhlflosse 5756 am stabilsten sind. Die 5756-Kante entsteht als Ergebnis kombinierter Effekte, die die Anzahl ungesättigter Wasserstoffbrückenbindungen minimieren und die Spannungsenergie reduzieren.
Wissenschaftler erinnern daran, dass die Grundflächen von sechseckigem Eis normalerweise in Zickzackrippen enden und stuhlförmige Rippen aufgrund der höheren Dichte ungesättigter Wasserstoffbrücken fehlen. In kleinen Systemen oder bei begrenztem Platzangebot kann der Energieverbrauch von Chair-Finnen jedoch durch eine entsprechende Umgestaltung reduziert werden.
Wie bereits erwähnt, wurde die Probe nach dem Stoppen des Eiswachstums bei 120 K sofort auf 5 K abgekühlt, um zu versuchen, metastabile oder Übergangskantenstrukturen einzufrieren und eine relativ lange Lebensdauer der Probe für detaillierte Untersuchungen mit STM und AFM sicherzustellen. Dank der CO-funktionalisierten Mikroskopspitze konnte auch der Wachstumsprozess von zweidimensionalem Eis (Bild Nr. 3) rekonstruiert werden, wodurch metastabile Strukturen und Übergangsstrukturen erkannt werden konnten.
Bei Zick-Zack-Rippen wurden manchmal einzelne Fünfecke an den geraden Rippen befestigt gefunden. Sie könnten in einer Reihe angeordnet werden und ein Array mit einer Periodizität von 2 x bilden aice (aice ist die Gitterkonstante von zweidimensionalem Eis). Diese Beobachtung könnte darauf hindeuten, dass das Wachstum von Zickzackkanten durch die Bildung einer periodischen Anordnung von Fünfecken eingeleitet wird (3a, Schritt 1-3), bei dem zwei Wasserpaare für das Fünfeck hinzugefügt werden (rote Pfeile).
Als nächstes wird die Anordnung der Fünfecke zu einer Struktur wie 56665 (3a, Stufe 4) und stellt dann durch Zugabe von mehr Wasserdampf das ursprüngliche Zickzack-Erscheinungsbild wieder her.
Bei stuhlförmigen Kanten ist die Situation umgekehrt – es gibt keine Reihen von Fünfecken, sondern es werden häufig kurze Lücken wie 5656 an der Kante beobachtet. Die Länge der Flosse 5656 ist deutlich kürzer als die der Flosse 5756. Dies liegt möglicherweise daran, dass die Flosse 5656 stärker beansprucht und weniger stabil ist als die Flosse 5756. Ausgehend von der Stuhlflosse 5756 werden 575 Ringe durch Hinzufügen von zwei lokal in 656 Ringe umgewandelt Wasserdampf (3b, Stufe 2). Als nächstes wachsen die 656 Ringe in Querrichtung und bilden eine Kante vom Typ 5656 (3b, Stufe 3), jedoch mit begrenzter Länge aufgrund der Ansammlung von Verformungsenergie.
Wenn dem Sechseck einer 5656er Flosse ein Wasserpaar hinzugefügt wird, kann die Verformung teilweise abgeschwächt werden, und dies führt wiederum zur Bildung einer 5756er Flosse (3b, Stufe 4).
Die obigen Ergebnisse sind sehr aussagekräftig, es wurde jedoch beschlossen, sie mit zusätzlichen Daten zu untermauern, die aus molekulardynamischen Berechnungen von Wasserdampf auf der Au (111)-Oberfläche stammen.
Es wurde festgestellt, dass sich zweidimensionale doppelschichtige Eisinseln erfolgreich und ungehindert auf der Oberfläche bildeten, was mit unseren experimentellen Beobachtungen übereinstimmt.
Bild #4
Auf dem Bild 4a Der Mechanismus der kollektiven Brückenbildung auf Zickzackrippen wird Schritt für Schritt aufgezeigt.
Nachfolgend finden Sie Medienmaterialien zu dieser Studie mit einer Beschreibung.
Medienmaterial Nr. 1
Es ist erwähnenswert, dass ein einzelnes Fünfeck, das an einer Zickzackkante befestigt ist, nicht als lokales Keimbildungszentrum zur Wachstumsförderung fungieren kann.
Medienmaterial Nr. 2
Stattdessen bildet sich an der Zickzackkante zunächst ein periodisches, aber unverbundenes Netzwerk aus Fünfecken, und nachfolgend einströmende Wassermoleküle versuchen gemeinsam, diese Fünfecke zu verbinden, was zur Bildung einer Kettenstruktur vom Typ 565 führt. Leider wurde eine solche Struktur bisher nicht beobachtet praktische Beobachtungen, was seine extrem kurze Lebensdauer erklärt.
Medienmaterial Nr. 3 und Nr. 4
Die Hinzufügung eines Wasserpaares verbindet die Struktur vom Typ 565 und das angrenzende Fünfeck, was zur Bildung der Struktur vom Typ 5666 führt.
Die Struktur vom Typ 5666 wächst seitlich zur Struktur vom Typ 56665 und entwickelt sich schließlich zu einem vollständig verbundenen hexagonalen Gitter.
Medienmaterial Nr. 5 und Nr. 6
Auf dem Bild 4b Das Wachstum zeigt sich bei einer Sesselrippe. Die Umwandlung von Ringen vom Typ 575 in Ringe vom Typ 656 beginnt in der unteren Schicht und bildet eine zusammengesetzte 575/656-Struktur, die in den Experimenten nicht von einer Flosse vom Typ 5756 unterschieden werden kann, da nur die oberste Schicht des zweischichtigen Eises abgebildet werden kann während der Experimente.
Medienmaterial Nr. 7
Die resultierende Brücke 656 wird zum Keimbildungszentrum für das Wachstum der 5656-Rippe.
Medienmaterial Nr. 8
Das Hinzufügen eines Wassermoleküls zu einer 5656-Kante führt zu einer hochmobilen ungepaarten Molekülstruktur.
Medienmaterial Nr. 9
Zwei dieser ungepaarten Wassermoleküle können sich anschließend zu einer stabileren siebeneckigen Struktur verbinden und so die Umwandlung von 5656 in 5756 abschließen.
Für eine detailliertere Bekanntschaft mit den Nuancen der Studie empfehle ich einen Blick auf .
Letzter Akt
Die wichtigste Schlussfolgerung dieser Studie ist, dass das beobachtete Verhalten von Strukturen während des Wachstums allen Arten von zweidimensionalem Eis gemeinsam sein könnte. Doppelschichtiges hexagonales Eis bildet sich auf verschiedenen hydrophoben Oberflächen und unter hydrophoben Einschlussbedingungen und kann daher als separater 2D-Kristall (2D-Eis I) betrachtet werden, dessen Bildung unempfindlich gegenüber der darunter liegenden Struktur des Substrats ist.
Wissenschaftler sagen ehrlich, dass ihre Bildgebungstechnik noch nicht für die Arbeit mit dreidimensionalem Eis geeignet ist, aber die Ergebnisse der Untersuchung von zweidimensionalem Eis können als Grundlage für die Erklärung des Entstehungsprozesses seines volumetrischen Verwandten dienen. Mit anderen Worten: Das Verständnis, wie zweidimensionale Strukturen entstehen, ist eine wichtige Grundlage für die Untersuchung dreidimensionaler Strukturen. Zu diesem Zweck wollen die Forscher ihre Methode künftig verbessern.
Vielen Dank fürs Lesen, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine tolle Woche, Leute. 🙂
Einige Anzeigen 🙂
Vielen Dank, dass Sie bei uns geblieben sind. Gefallen Ihnen unsere Artikel? Möchten Sie weitere interessante Inhalte sehen? Unterstützen Sie uns, indem Sie eine Bestellung aufgeben oder an Freunde weiterempfehlen. , ein einzigartiges Analogon von Einstiegsservern, das von uns für Sie erfunden wurde: (verfügbar mit RAID1 und RAID10, bis zu 24 Kerne und bis zu 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2-mal günstiger im Equinix Tier IV-Rechenzentrum in Amsterdam? Nur hier in den Niederlanden! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gbit/s 100 TB – ab 99 $! Lesen über
Source: habr.com