Όλοι γνωρίζουν ότι το νερό εμφανίζεται σε τρεις καταστάσεις συσσωμάτωσης. Βάζουμε τον βραστήρα και το νερό αρχίζει να βράζει και να εξατμίζεται, από υγρό σε αέριο. Το βάζουμε στην κατάψυξη και αρχίζει να μετατρέπεται σε πάγο, μεταβαίνοντας έτσι από υγρή σε στερεή κατάσταση. Ωστόσο, υπό ορισμένες συνθήκες, οι υδρατμοί που υπάρχουν στον αέρα μπορούν να περάσουν αμέσως στη στερεά φάση, παρακάμπτοντας την υγρή φάση. Γνωρίζουμε αυτή τη διαδικασία από το αποτέλεσμά της - όμορφα σχέδια στα παράθυρα μια παγωμένη χειμωνιάτικη μέρα. Οι λάτρεις των αυτοκινήτων, όταν ξύνουν ένα στρώμα πάγου από το παρμπρίζ, συχνά χαρακτηρίζουν αυτή τη διαδικασία χρησιμοποιώντας όχι πολύ επιστημονικά, αλλά πολύ συναισθηματικά και ζωντανά επιθέματα. Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, οι λεπτομέρειες του σχηματισμού του δισδιάστατου πάγου καλύπτονταν από μυστικότητα για πολλά χρόνια. Και πρόσφατα, για πρώτη φορά, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων μπόρεσε να οπτικοποιήσει την ατομική δομή του δισδιάστατου πάγου κατά τη διάρκεια του σχηματισμού του. Ποια μυστικά κρύβονται σε αυτή την φαινομενικά απλή φυσική διαδικασία, πώς κατάφεραν οι επιστήμονες να τα αποκαλύψουν και πόσο χρήσιμα είναι τα ευρήματά τους; Η έκθεση της ερευνητικής ομάδας θα μας πει για αυτό. Πηγαίνω.
Ερευνητική βάση
Αν υπερβάλλουμε, τότε ουσιαστικά όλα τα αντικείμενα γύρω μας είναι τρισδιάστατα. Ωστόσο, αν εξετάσουμε μερικά από αυτά πιο σχολαστικά, μπορούμε να βρούμε και δισδιάστατα. Μια κρούστα πάγου που σχηματίζεται στην επιφάνεια κάποιου είναι ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα αυτού. Η ύπαρξη τέτοιων δομών δεν αποτελεί μυστικό για την επιστημονική κοινότητα, γιατί έχουν αναλυθεί πολλές φορές. Αλλά το πρόβλημα είναι ότι είναι αρκετά δύσκολο να απεικονιστούν μετασταθερές ή ενδιάμεσες δομές που εμπλέκονται στο σχηματισμό δισδιάστατου πάγου. Αυτό οφείλεται σε κοινά προβλήματα - την ευθραυστότητα και την ευθραυστότητα των δομών που μελετώνται.
Ευτυχώς, οι σύγχρονες μέθοδοι σάρωσης επιτρέπουν την ανάλυση δειγμάτων με ελάχιστη επίδραση, γεγονός που επιτρέπει τη λήψη μέγιστων δεδομένων σε σύντομο χρονικό διάστημα, για τους παραπάνω λόγους. Σε αυτή τη μελέτη, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μικροσκοπία ατομικής δύναμης χωρίς επαφή, με την άκρη της βελόνας του μικροσκοπίου επικαλυμμένη με μονοξείδιο του άνθρακα (CO). Ο συνδυασμός αυτών των εργαλείων σάρωσης καθιστά δυνατή τη λήψη εικόνων σε πραγματικό χρόνο των δομών των άκρων του δισδιάστατου διπλού στρώματος εξαγωνικού πάγου που αναπτύσσεται σε μια επιφάνεια χρυσού (Au).
Η μικροσκοπία έδειξε ότι κατά τον σχηματισμό δισδιάστατου πάγου, δύο τύποι ακμών (τμήματα που συνδέουν δύο κορυφές ενός πολυγώνου) συνυπάρχουν ταυτόχρονα στη δομή του: ζιγκ-ζαγκ (τσακιστή γραμμή με γωνίας) και σε σχήμα καρέκλας (πολυθρόνα).
Πολυθρόνα (αριστερά) και ζιγκ-ζαγκ (δεξιά) άκρες χρησιμοποιώντας γραφένιο ως παράδειγμα.
Σε αυτό το στάδιο, τα δείγματα καταψύχθηκαν γρήγορα, επιτρέποντας τη λεπτομερή εξέταση της ατομικής δομής. Πραγματοποιήθηκε επίσης μοντελοποίηση, τα αποτελέσματα της οποίας συνέπεσαν σε μεγάλο βαθμό με τα αποτελέσματα της παρατήρησης.
Διαπιστώθηκε ότι στην περίπτωση του σχηματισμού ζιγκ-ζαγκ νευρώσεων, προστίθεται ένα επιπλέον μόριο νερού στην υπάρχουσα άκρη και η όλη διαδικασία ρυθμίζεται από τον μηχανισμό γεφύρωσης. Αλλά στην περίπτωση του σχηματισμού νευρώσεων πολυθρόνας, δεν ανιχνεύθηκαν πρόσθετα μόρια, κάτι που έρχεται σε έντονη αντίθεση με τις παραδοσιακές ιδέες για την ανάπτυξη εξαγωνικού πάγου δύο στρωμάτων και γενικά δισδιάστατων εξαγωνικών ουσιών.
Γιατί οι επιστήμονες επέλεξαν ένα μικροσκόπιο ατομικής δύναμης χωρίς επαφή για τις παρατηρήσεις τους αντί για μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας (STM) ή ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης (TEM); Όπως ήδη γνωρίζουμε, η επιλογή σχετίζεται με τη δυσκολία μελέτης των βραχύβιων και εύθραυστων δομών του δισδιάστατου πάγου. Το STM έχει χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για τη μελέτη δισδιάστατων πάγων που αναπτύσσονται σε διάφορες επιφάνειες, αλλά αυτός ο τύπος μικροσκοπίου δεν είναι ευαίσθητος στη θέση των πυρήνων και η άκρη του μπορεί να προκαλέσει σφάλματα απεικόνισης. Το TEM, αντίθετα, δείχνει τέλεια την ατομική δομή των νευρώσεων. Ωστόσο, η λήψη εικόνων υψηλής ποιότητας απαιτεί ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας, τα οποία μπορούν εύκολα να αλλάξουν ή ακόμα και να καταστρέψουν τη δομή των ακμών των ομοιοπολικά συνδεδεμένων υλικών 2D, για να μην αναφέρουμε τις πιο χαλαρά συνδεδεμένες ακμές στον πάγο XNUMXD.
Ένα μικροσκόπιο ατομικής δύναμης δεν έχει τέτοια μειονεκτήματα και ένα άκρο επικαλυμμένο με CO επιτρέπει τη μελέτη του διεπιφανειακού νερού με ελάχιστη επίδραση στα μόρια του νερού.
Αποτελέσματα της μελέτης
Εικόνα #1
Ο δισδιάστατος πάγος αναπτύχθηκε στην επιφάνεια Au(111) σε θερμοκρασία περίπου 120 K και το πάχος του ήταν 2.5 Å (1a).
STM εικόνες πάγου (1c) και την αντίστοιχη εικόνα γρήγορου μετασχηματισμού Fourier (εισαγωγή μέσα 1a) δείχνουν μια καλά διατεταγμένη εξαγωνική δομή με περιοδικότητα Au(111)-√3 x √3-30°. Παρόλο που το κυψελωτό δίκτυο H-συνδεδεμένο 2D πάγου είναι ορατό στην εικόνα STM, η λεπτομερής τοπολογία των δομών ακμών είναι δύσκολο να προσδιοριστεί. Ταυτόχρονα, το AFM με μετατόπιση συχνότητας (Δf) της ίδιας περιοχής δείγματος έδωσε καλύτερες εικόνες (1d), το οποίο κατέστησε δυνατή την απεικόνιση τμημάτων σε σχήμα καρέκλας και ζιγκ-ζαγκ της δομής. Το συνολικό μήκος και των δύο παραλλαγών είναι συγκρίσιμο, αλλά το μέσο μήκος του προκατόχου είναι ελαφρώς μεγαλύτερο (1b). Οι νευρώσεις ζιγκ-ζαγκ μπορούν να φτάσουν τα 60 Å σε μήκος, αλλά οι σε σχήμα καρέκλας καλύπτονται με ελαττώματα κατά τον σχηματισμό, γεγονός που μειώνει το μέγιστο μήκος τους σε 10-30 Å.
Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε συστηματική απεικόνιση AFM σε διαφορετικά ύψη βελόνας (2a).
Εικόνα #2
Στο υψηλότερο ύψος κορυφής, όταν το σήμα AFM κυριαρχείται από ηλεκτροστατική δύναμη υψηλότερης τάξης, εντοπίστηκαν δύο σετ √3 x √3 υποπλέγματα σε δισδιάστατο πάγο διπλής στιβάδας, ένα από τα οποία φαίνεται στο 2a (αριστερά).
Σε χαμηλότερα ύψη βελόνας, τα φωτεινά στοιχεία αυτής της υποσυστοιχίας αρχίζουν να δείχνουν κατευθυντικότητα και η άλλη υποσυστοιχία μετατρέπεται σε στοιχείο σχήματος V (2a, στο κέντρο).
Στο ελάχιστο ύψος της βελόνας, το AFM αποκαλύπτει μια κυψελοειδή δομή με σαφείς γραμμές που συνδέουν δύο υποπλέγματα, που θυμίζουν δεσμούς Η (2a, στα δεξιά).
Οι υπολογισμοί της συναρτησιακής θεωρίας πυκνότητας δείχνουν ότι ο δισδιάστατος πάγος που αναπτύσσεται στην επιφάνεια Au(111) αντιστοιχεί σε μια συμπλεγμένη δομή πάγου δύο στρωμάτων (2s), που αποτελείται από δύο επίπεδα εξαγωνικά στρώματα νερού. Τα εξάγωνα των δύο φύλλων είναι συζευγμένα και η γωνία μεταξύ των μορίων του νερού στο επίπεδο είναι 120°.
Σε κάθε στρώμα νερού, τα μισά μόρια του νερού βρίσκονται οριζόντια (παράλληλα με το υπόστρωμα) και τα άλλα μισά βρίσκονται κατακόρυφα (κάθετα στο υπόστρωμα), με ένα O-H να δείχνει προς τα πάνω ή προς τα κάτω. Το κατακόρυφα ξαπλωμένο νερό σε ένα στρώμα δίνει έναν δεσμό Η σε οριζόντιο νερό σε ένα άλλο στρώμα, με αποτέλεσμα μια πλήρως κορεσμένη δομή σχήματος Η.
Προσομοίωση AFM με χρήση τετράπολου (dz 2) άκρη (2b) με βάση το παραπάνω μοντέλο είναι σε καλή συμφωνία με τα πειραματικά αποτελέσματα (2a). Δυστυχώς, τα παρόμοια ύψη οριζόντιου και κατακόρυφου νερού καθιστούν δύσκολη την αναγνώρισή τους κατά την απεικόνιση STM. Ωστόσο, όταν χρησιμοποιείται μικροσκοπία ατομικής δύναμης, τα μόρια και των δύο τύπων νερού διακρίνονται σαφώς (2a и 2b σωστά) επειδή η υψηλότερης τάξης ηλεκτροστατική δύναμη είναι πολύ ευαίσθητη στον προσανατολισμό των μορίων του νερού.
Ήταν επίσης δυνατός ο περαιτέρω προσδιορισμός της κατευθυντικότητας OH του οριζόντιου και κατακόρυφου νερού μέσω της αλληλεπίδρασης μεταξύ ηλεκτροστατικών δυνάμεων ανώτερης τάξης και απωστικών δυνάμεων Pauli, όπως φαίνεται από τις κόκκινες γραμμές στο 2a и 2b (κέντρο).
Εικόνα #3
Στις εικόνες 3a и 3b (Βήμα 1) δείχνει μεγεθυμένες εικόνες AFM πτερυγίων ζιγκ-ζαγκ και πολυθρόνας, αντίστοιχα. Διαπιστώθηκε ότι η άκρη του ζιγκ-ζαγκ μεγαλώνει διατηρώντας την αρχική της δομή και με την ανάπτυξη της άκρης σε σχήμα καρέκλας, η άκρη αποκαθίσταται στην περιοδική δομή των 5756 δακτυλίων, δηλ. όταν η δομή των νευρώσεων επαναλαμβάνει περιοδικά την ακολουθία πεντάγωνο - επτάγωνο - πεντάγωνο - εξάγωνο.
Οι υπολογισμοί της συναρτησιακής θεωρίας πυκνότητας δείχνουν ότι το μη ανακατασκευασμένο πτερύγιο ζιγκ-ζαγκ και το πτερύγιο καρέκλας 5756 είναι τα πιο σταθερά. Το άκρο 5756 σχηματίζεται ως αποτέλεσμα συνδυασμένων επιδράσεων που ελαχιστοποιούν τον αριθμό των ακόρεστων δεσμών υδρογόνου και μειώνουν την ενέργεια καταπόνησης.
Οι επιστήμονες υπενθυμίζουν ότι τα βασικά επίπεδα του εξαγωνικού πάγου συνήθως καταλήγουν σε ζιγκ-ζαγκ νευρώσεις και οι νευρώσεις σε σχήμα καρέκλας απουσιάζουν λόγω της υψηλότερης πυκνότητας των ακόρεστων δεσμών υδρογόνου. Ωστόσο, σε μικρά συστήματα ή όπου ο χώρος είναι περιορισμένος, τα πτερύγια της καρέκλας μπορούν να μειώσουν την ενέργειά τους μέσω του κατάλληλου επανασχεδιασμού.
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, όταν σταμάτησε η ανάπτυξη πάγου στους 120 Κ, το δείγμα ψύχθηκε αμέσως στους 5 Κ για να προσπαθήσει να παγώσει μετασταθερές ή μεταβατικές δομές ακμών και να εξασφαλίσει σχετικά μεγάλη διάρκεια ζωής δείγματος για λεπτομερή μελέτη χρησιμοποιώντας STM και AFM. Ήταν επίσης δυνατή η ανακατασκευή της διαδικασίας ανάπτυξης του δισδιάστατου πάγου (εικόνα Νο. 3) χάρη στο άκρο μικροσκοπίου με λειτουργικό CO, το οποίο κατέστησε δυνατό τον εντοπισμό μετασταθερών και μεταβατικών δομών.
Στην περίπτωση των ζιγκ-ζαγκ νευρώσεων, μερικές φορές βρέθηκαν μεμονωμένα πεντάγωνα προσαρτημένα στις ευθείες νευρώσεις. Θα μπορούσαν να παραταχθούν σε μια σειρά, σχηματίζοντας έναν πίνακα με περιοδικότητα 2 x aice (aice είναι η σταθερά του πλέγματος του δισδιάστατου πάγου). Αυτή η παρατήρηση μπορεί να υποδεικνύει ότι η ανάπτυξη των ζιγκ-ζαγκ άκρων ξεκινά με το σχηματισμό μιας περιοδικής διάταξης πενταγώνων (3a, βήμα 1-3), το οποίο περιλαμβάνει την προσθήκη δύο ζευγών νερού για το πεντάγωνο (κόκκινα βέλη).
Στη συνέχεια, η διάταξη των πενταγώνων συνδέεται για να σχηματίσει μια δομή όπως το 56665 (3a, στάδιο 4), και στη συνέχεια επαναφέρει την αρχική ζιγκ-ζαγκ εμφάνιση προσθέτοντας περισσότερους υδρατμούς.
Με τις άκρες σε σχήμα καρέκλας, η κατάσταση είναι το αντίθετο - δεν υπάρχουν σειρές πενταγώνων, αλλά αντίθετα παρατηρούνται μικρά κενά όπως το 5656 στην άκρη. Το μήκος του πτερυγίου 5656 είναι σημαντικά μικρότερο από αυτό του 5756. Αυτό οφείλεται πιθανώς επειδή το πτερύγιο 5656 είναι πολύ πιεσμένο και λιγότερο σταθερό από το πτερύγιο 5756. Ξεκινώντας με το πτερύγιο καρέκλας 5756, 575 δακτύλιοι μετατρέπονται τοπικά σε 656 δακτυλίους προσθέτοντας υδρατμοί (3b, στάδιο 2). Στη συνέχεια, οι 656 δακτύλιοι αναπτύσσονται στην εγκάρσια κατεύθυνση, σχηματίζοντας μια άκρη του τύπου 5656 (3b, στάδιο 3), αλλά με περιορισμένο μήκος λόγω της συσσώρευσης ενέργειας παραμόρφωσης.
Εάν προστεθεί ένα ζεύγος νερού στο εξάγωνο ενός πτερυγίου 5656, η παραμόρφωση μπορεί να εξασθενήσει μερικώς και αυτό θα οδηγήσει και πάλι στον σχηματισμό ενός πτερυγίου 5756 (3b, στάδιο 4).
Τα παραπάνω αποτελέσματα είναι πολύ ενδεικτικά, αλλά αποφασίστηκε να υποστηριχθούν με πρόσθετα δεδομένα που προέκυψαν από υπολογισμούς μοριακής δυναμικής των υδρατμών στην επιφάνεια του Au (111).
Διαπιστώθηκε ότι XNUMXD διπλής στρώσης νησίδες πάγου σχηματίστηκαν με επιτυχία και ανεμπόδιστα στην επιφάνεια, κάτι που είναι σύμφωνο με τις πειραματικές μας παρατηρήσεις.
Εικόνα #4
Στην εικόνα 4a Ο μηχανισμός συλλογικού σχηματισμού γεφυρών σε ζιγκ-ζαγκ νευρώσεις φαίνεται βήμα προς βήμα.
Ακολουθεί υλικό μέσων για αυτήν τη μελέτη με περιγραφή.
Υλικό πολυμέσων Νο. 1
Αξίζει να σημειωθεί ότι ένα ενιαίο πεντάγωνο προσαρτημένο σε μια άκρη ζιγκ-ζαγκ δεν μπορεί να λειτουργήσει ως τοπικό κέντρο πυρήνων για την προώθηση της ανάπτυξης.
Υλικό πολυμέσων Νο. 2
Αντίθετα, ένα περιοδικό αλλά μη συνδεδεμένο δίκτυο πενταγώνων σχηματίζεται αρχικά στην άκρη του ζιγκ-ζαγκ και τα επόμενα εισερχόμενα μόρια νερού προσπαθούν συλλογικά να συνδέσουν αυτά τα πενταγώνια, με αποτέλεσμα τον σχηματισμό μιας δομής αλυσίδας τύπου 565. Δυστυχώς, μια τέτοια δομή δεν έχει παρατηρηθεί κατά τη διάρκεια πρακτικές παρατηρήσεις, γεγονός που εξηγεί την εξαιρετικά σύντομη διάρκεια ζωής του.
Υλικό πολυμέσων Νο. 3 και Νο. 4
Η προσθήκη ενός ζεύγους νερού συνδέει τη δομή τύπου 565 και το παρακείμενο πεντάγωνο, με αποτέλεσμα να σχηματιστεί η δομή τύπου 5666.
Η δομή τύπου 5666 αναπτύσσεται πλευρικά για να σχηματίσει τη δομή τύπου 56665 και τελικά εξελίσσεται σε ένα πλήρως συνδεδεμένο εξαγωνικό πλέγμα.
Υλικό πολυμέσων Νο. 5 και Νο. 6
Στην εικόνα 4b η ανάπτυξη φαίνεται στην περίπτωση μιας πλευράς πολυθρόνας. Η μετατροπή από δακτυλίους τύπου 575 σε δακτυλίους τύπου 656 ξεκινά από το κάτω στρώμα, σχηματίζοντας μια σύνθετη δομή 575/656 που δεν μπορεί να διακριθεί από ένα πτερύγιο τύπου 5756 στα πειράματα, καθώς μόνο το ανώτερο στρώμα του πάγου δύο στρωμάτων μπορεί να απεικονιστεί κατά τη διάρκεια των πειραμάτων.
Υλικό πολυμέσων Νο. 7
Η προκύπτουσα γέφυρα 656 γίνεται το κέντρο πυρήνων για την ανάπτυξη του νεύρου 5656.
Υλικό πολυμέσων Νο. 8
Η προσθήκη ενός μορίου νερού σε ένα άκρο 5656 έχει ως αποτέλεσμα μια πολύ ευκίνητη μη ζευγαρωμένη δομή μορίου.
Υλικό πολυμέσων Νο. 9
Δύο από αυτά τα μη ζευγαρωμένα μόρια νερού μπορούν στη συνέχεια να συνδυαστούν σε μια πιο σταθερή επταγωνική δομή, ολοκληρώνοντας τη μετατροπή από 5656 σε 5756.
Για μια πιο λεπτομερή εξοικείωση με τις αποχρώσεις της μελέτης, συνιστώ να κοιτάξετε .
Επίλογος
Το κύριο συμπέρασμα αυτής της μελέτης είναι ότι η παρατηρούμενη συμπεριφορά των δομών κατά την ανάπτυξη μπορεί να είναι κοινή σε όλους τους τύπους δισδιάστατου πάγου. Ο διπλός εξαγωνικός πάγος σχηματίζεται σε διάφορες υδρόφοβες επιφάνειες και υπό συνθήκες υδρόφοβου περιορισμού, και επομένως μπορεί να θεωρηθεί ως ξεχωριστός κρύσταλλος 2D (2D ice I), ο σχηματισμός του οποίου δεν είναι ευαίσθητος στην υποκείμενη δομή του υποστρώματος.
Οι επιστήμονες λένε ειλικρινά ότι η τεχνική απεικόνισης τους δεν είναι ακόμη κατάλληλη για εργασία με τρισδιάστατο πάγο, αλλά τα αποτελέσματα της μελέτης του δισδιάστατου πάγου μπορούν να χρησιμεύσουν ως βάση για την εξήγηση της διαδικασίας σχηματισμού του ογκομετρικού του συγγενή. Με άλλα λόγια, η κατανόηση του πώς σχηματίζονται οι δισδιάστατες δομές είναι μια σημαντική βάση για τη μελέτη των τρισδιάστατων. Για το σκοπό αυτό, οι ερευνητές σχεδιάζουν να βελτιώσουν τη μεθοδολογία τους στο μέλλον.
Ευχαριστώ για την ανάγνωση, μείνετε περίεργοι και καλή εβδομάδα παιδιά. 🙂
Μερικές διαφημίσεις 🙂
Σας ευχαριστούμε που μείνατε μαζί μας. Σας αρέσουν τα άρθρα μας; Θέλετε να δείτε πιο ενδιαφέρον περιεχόμενο; Υποστηρίξτε μας κάνοντας μια παραγγελία ή προτείνοντας σε φίλους, , ένα μοναδικό ανάλογο διακομιστών εισαγωγικού επιπέδου, το οποίο εφευρέθηκε από εμάς για εσάς: (διατίθεται με RAID1 και RAID10, έως 24 πυρήνες και έως 40 GB DDR4).
Το Dell R730xd 2 φορές φθηνότερο στο κέντρο δεδομένων Equinix Tier IV στο Άμστερνταμ; Μόνο εδώ στην Ολλανδία! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - από 99$! Διαβάστε σχετικά
Πηγή: www.habr.com