Ĉiuj scias, ke akvo okazas en tri statoj de agregado. Ni metas la kaldronon, kaj la akvo komencas boli kaj vaporiĝi, turniĝante de likva al gasa. Ni metas ĝin en la frostujon, kaj ĝi komencas iĝi glacio, tiel moviĝante de likvaĵo al solida stato. Tamen, sub certaj cirkonstancoj, akvovaporo ĉeestanta en la aero povas tuj pasi en la solidan fazon, preterirante la likvan fazon. Ni konas ĉi tiun procezon laŭ ĝia rezulto - belaj ŝablonoj sur la fenestroj en frosta vintra tago. Aŭto-entuziasmuloj, kiam skrapas tavolon da glacio de la glaco, ofte karakterizas ĉi tiun procezon uzante ne tre sciencajn, sed tre emociajn kaj viglajn epitetojn. Unu maniero aŭ alia, la detaloj de la formado de dudimensia glacio estis kovritaj en sekreto dum multaj jaroj. Kaj lastatempe, por la unua fojo, internacia teamo de sciencistoj povis bildigi la atomstrukturon de dudimensia glacio dum ĝia formiĝo. Kiuj sekretoj estas kaŝitaj en ĉi tiu ŝajne simpla fizika procezo, kiel sciencistoj sukcesis malkovri ilin, kaj kiel estas utilaj iliaj trovoj? La raporto de la esplorgrupo rakontos al ni pri tio. Iru.
Esplorbazo
Se ni troigas, tiam preskaŭ ĉiuj objektoj ĉirkaŭ ni estas tridimensiaj. Tamen, se ni konsideras kelkajn el ili pli skrupule, ni ankaŭ povas trovi dudimensiajn. Frosto de glacio, kiu formiĝas sur la surfaco de io, estas ĉefa ekzemplo de tio. La ekzisto de tiaj strukturoj ne estas sekreto por la scienca komunumo, ĉar ili estis multfoje analizitaj. Sed la problemo estas, ke estas sufiĉe malfacile bildigi metastabilajn aŭ mezajn strukturojn implikitajn en la formado de 2D glacio. Ĉi tio estas pro banalaj problemoj - la malfortikeco kaj fragileco de la studataj strukturoj.
Feliĉe, modernaj skanaj metodoj permesas analizi specimenojn kun minimuma efiko, kio ebligas akiri maksimumajn datumojn en mallonga tempodaŭro, pro ĉi-supraj kialoj. En ĉi tiu studo, la sciencistoj uzis nekontaktan atomfortan mikroskopion, kun la pinto de la mikroskopa nadlo kovrita per karbonmonooksido (CO). La kombinaĵo de tiuj skanaj iloj ebligas akiri realtempajn bildojn de la randstrukturoj de dudimensia dutavola sesangula glacio kreskigita sur ora (Au) surfaco.
Mikroskopio montris, ke dum la formado de dudimensia glacio, du specoj de randoj (segmentoj ligantaj du verticojn de plurangulo) samtempe kunekzistas en ĝia strukturo: zigzago (zigzago) kaj seĝforma (fotelo).
Fokseĝo (maldekstre) kaj zigzagaj (dekstre) randoj uzante grafenon kiel ekzemplon.
En tiu stadio, la provaĵoj estis rapide frostigitaj, permesante la atomstrukturon esti ekzamenita en detalo. Ankaŭ estis farita modeligado, kies rezultoj plejparte koincidis kun la observaj rezultoj.
Oni trovis, ke en la kazo de la formado de zigzagaj ripoj, aldona akvomolekulo aldoniĝas al la ekzistanta rando, kaj la tuta procezo estas reguligita per la ponta mekanismo. Sed en la kazo de la formado de brakseĝaj ripoj, neniuj kromaj molekuloj estis detektitaj, kio forte kontrastas kun tradiciaj ideoj pri la kresko de dutavola sesangula glacio kaj dudimensiaj sesangulaj substancoj ĝenerale.
Kial sciencistoj elektis nekontaktan atomfortan mikroskopon por siaj observoj prefere ol skanan tunelmikroskopon (STM) aŭ dissendian elektronan mikroskopon (TEM)? Kiel ni jam scias, la elekto rilatas al la malfacileco studi la mallongdaŭrajn kaj fragilajn strukturojn de dudimensia glacio. STM antaŭe estis uzata por studi 2D-glaciojn kreskitajn sur diversaj surfacoj, sed ĉi tiu speco de mikroskopo ne estas sentema al la pozicio de nukleoj, kaj ĝia pinto povas kaŭzi bildigajn erarojn. TEM, male, perfekte montras la atoman strukturon de la ripoj. Tamen, akiri altkvalitajn bildojn postulas alt-energiajn elektronojn, kiuj povas facile ŝanĝi aŭ eĉ detrui la randstrukturon de kovalente ligitaj XNUMXD materialoj, sen mencii la pli loze ligitajn randojn en XNUMXD glacio.
Atomfortmikroskopo ne havas tiajn malavantaĝojn, kaj CO-tegita pinto permesas la studon de intervizaĝa akvo kun minimuma influo sur akvomolekuloj.
Esplorrezultoj
Bildo #1
Dudimensia glacio estis kreskigita sur la Au(111) surfaco je temperaturo de proksimume 120 K, kaj ĝia dikeco estis 2.5 Å (1a).
STM-bildoj de glacio (1c) kaj la ekvivalenta rapida transformo de Fourier-bildo (enmetita en 1a) montras bone ordigitan sesangulan strukturon kun periodeco de Au(111)-√3 x √3-30°. Kvankam la ĉela H-ligita reto de 2D glacio estas videbla en la STM-bildo, la detalan topologion de la randstrukturoj malfacilas determini. En la sama tempo, AFM kun frekvencŝanĝo (Δf) de la sama specimenareo donis pli bonajn bildojn (1d), kiu ebligis bildigi seĝformajn kaj zigzagajn sekciojn de la strukturo. La sumlongo de ambaŭ variantoj estas komparebla, sed la averaĝa longo de la antaŭulripo estas iomete pli longa (1b). Zigzagaj ripoj povas kreski ĝis 60 Å en longo, sed seĝformaj iĝas kovritaj per difektoj dum formado, kiu reduktas sian maksimuman longon al 10-30 Å.
Poste, sistema AFM-bildigo estis farita ĉe malsamaj pingloaltoj (2a).
Bildo #2
Ĉe la plej alta pintoalteco, kiam la AFM-signalo estas dominita per pli alta orda elektrostatika forto, du aroj de √3 x √3 subretoj en dudimensia dutavola glacio estis identigitaj, unu el kiu estas montrita en 2a (maldekstre).
Ĉe pli malaltaj kudrilaj altecoj, la helaj elementoj de ĉi tiu subbaro komencas montri direktecon, kaj la alia subambro iĝas V-forma elemento (2a, centrita).
Ĉe minimuma pingloalteco, AFM rivelas kahelarstrukturon kun klaraj linioj ligantaj du subkradaĵojn, rememorigajn pri H-ligoj (2a, dekstre).
Kalkuloj de denseca funkcia teorio montras, ke dudimensia glacio kreskigita sur la surfaco de Au(111) egalrilatas al interliga dutavola glacia strukturo (2c), konsistante el du plataj sesangulaj tavoloj de akvo. La seslateroj de la du folioj estas konjugitaj, kaj la angulo inter la akvomolekuloj en la ebeno estas 120°.
En ĉiu tavolo de akvo, duono de la akvomolekuloj kuŝas horizontale (paralele al la substrato) kaj la alia duono kuŝas vertikale (perpendikulara al la substrato), kun unu O-H indikanta supren aŭ malsupren. Vertikale kuŝanta akvo en unu tavolo donacas H-obligacion al horizontala akvo en alia tavolo, rezultigante tute saturitan H-forman strukturon.
AFM-simulado uzante kvarpolon (dz 2) pinton (2b) surbaze de ĉi-supra modelo kongruas kun eksperimentaj rezultoj (2a). Bedaŭrinde, la similaj altecoj de horizontala kaj vertikala akvo malfaciligas ilian identigon dum STM-bildigo. Tamen, uzante atomfortmikroskopion, la molekuloj de ambaŭ specoj de akvo estas klare distingeblaj (2a и 2b dekstra) ĉar la pli alta orda elektrostatika forto estas tre sentema al la orientiĝo de akvomolekuloj.
Estis ankaŭ eble plue determini la OH-direkcon de horizontala kaj vertikala akvo tra la interagado inter pli altaj ordaj elektrostatikaj fortoj kaj Pauli-repuŝfortoj, kiel montrite per la ruĝaj linioj en 2a и 2b (centro).
Bildo #3
En la bildoj 3a и 3b (Ŝtupo 1) montras pligrandigitajn AFM-bildojn de zigzago kaj brakseĝnaĝiloj, respektive. Estis trovite ke la zigzaga rando kreskas konservante sian originan strukturon, kaj kun la kresko de la seĝforma rando, la rando estas restarigita en la perioda strukturo de 5756 ringoj, t.e. kiam la strukturo de la ripoj periode ripetas la sinsekvon kvinlatero - heptagono - kvinlatero - seslatero.
Kalkuloj pri denseca funkcia teorio montras, ke la nerekonstruita zigzagnaĝilo kaj la 5756 seĝnaĝilo estas la plej stabilaj. La 5756-rando estas formita kiel rezulto de kombinitaj efikoj kiuj minimumigas la nombron da nesaturitaj hidrogenaj ligoj kaj reduktas streĉan energion.
Sciencistoj memoras, ke la bazaj ebenoj de sesangula glacio kutime finiĝas en zigzagaj ripoj, kaj seĝoformaj ripoj forestas pro la pli alta denseco de nesaturitaj hidrogenaj ligoj. Tamen, en malgrandaj sistemoj aŭ kie spaco estas limigita, seĝnaĝiloj povas redukti sian energion per bonorda restrukturado.
Kiel menciite pli frue, kiam glacikresko ĉe 120 K estis ĉesigita, la specimeno tuj estis malvarmetigita al 5 K por provi frostigi metastabilajn aŭ transirajn randstrukturojn kaj certigi relative longan provaĵvivon por detala studo uzante STM kaj AFM. Ankaŭ eblis rekonstrui la kreskoprocezon de dudimensia glacio (bildo n-ro 3) danke al la CO-funkciigita mikroskoppinto, kiu ebligis detekti metastabilajn kaj transirajn strukturojn.
En la kazo de zigzagaj ripoj, individuaj kvinlateroj foje estis trovitaj alkroĉitaj al la rektaj ripoj. Ili povus viciĝi en vico, formante tabelon kun periodeco de 2 x aice (aice estas la kradkonstanto de dudimensia glacio). Ĉi tiu observado povas indiki ke la kresko de zigzagaj randoj estas komencita per la formado de perioda aro de kvinlateroj (3a, paŝo 1-3), kiu implikas aldoni du akvoparojn por la kvinangulo (ruĝaj sagoj).
Poste, la aro de kvinlateroj estas ligita por formi strukturon kiel 56665 (3a, stadio 4), kaj tiam reestigas la originan zigzagan aspekton aldonante pli da akvovaporo.
Kun seĝformaj randoj la situacio estas la malo - ekzistas neniuj tabeloj de kvinlateroj, sed anstataŭe mallongaj interspacoj kiel 5656 sur la rando estas sufiĉe ofte observitaj. La longo de la 5656 naĝilo estas signife pli mallonga ol tiu de la 5756. Tio estas eventuale ĉar la 5656 naĝilo estas tre streĉita kaj malpli stabila ol la 5756. Komencante kun la 5756 seĝnaĝilo, 575 ringoj estas loke transformitaj al 656 ringoj aldonante du. akvovaporo (3b, stadio 2). Poste, la 656 ringoj kreskas en la transversa direkto, formante randon de la 5656 tipo (3b, stadio 3), sed kun limigita longo pro la amasiĝo de deforma energio.
Se unu akvoparo estas aldonita al la heksagono de 5656 naĝilo, la deformado povas esti parte malfortigita, kaj tio denove kondukos al la formado de 5756 naĝilo (3b, stadio 4).
La supraj rezultoj estas tre indikaj, sed estis decidite subteni ilin per kromaj datumoj akiritaj de molekula dinamikaj kalkuloj de akvovaporo sur la surfaco de Au (111).
Oni trovis, ke XNUMXD duoble-tavolaj glaciinsuloj formiĝis sukcese kaj senbaraj sur la surfaco, kio kongruas kun niaj eksperimentaj observoj.
Bildo #4
Sur la bildo 4a La mekanismo de kolektiva formado de pontoj sur zigzagaj ripoj estas montrita paŝo post paŝo.
Malsupre estas amaskomunikilaj materialoj pri ĉi tiu studo kun priskribo.
Media materialo n-ro 1
Indas noti, ke ununura kvinlatero alkroĉita al zigzaga rando ne povas funkcii kiel loka nuklea centro por antaŭenigi kreskon.
Media materialo n-ro 2
Anstataŭe, perioda sed neligita reto de kvinlagoj komence formiĝas sur la zigzaga rando, kaj postaj alvenantaj akvomolekuloj kolektive provas ligi tiujn kvinlagojn, rezultigante la formadon de 565-tipa ĉenstrukturo.Bedaurinde, tia strukturo ne estis observita dum praktikaj observoj, kio klarigas ĝian ekstreme mallongan vivdaŭron.
Media materialo n-ro 3 kaj n-ro 4
La aldono de unu akvoparo ligas la 565 tipstrukturon kaj la apudan kvinangulon, rezultigante la formadon de la 5666 tipstrukturo.
La 5666 tipstrukturo kreskas laterale por formi la 56665 tipstrukturon kaj poste evoluas en plene ligitan sesangulan kradon.
Media materialo n-ro 5 kaj n-ro 6
Sur la bildo 4b kresko estas montrita en la kazo de brakseĝo ripo. La konvertiĝo de tipo 575 ringoj al tipo 656 ringoj komenciĝas de la malsupra tavolo, formante kunmetitan 575/656 strukturon kiu ne povas esti distingita de tipo 5756 naĝilo en la eksperimentoj, ĉar nur la supra tavolo de la dutavola glacio povas esti bildigita. dum la eksperimentoj.
Media materialo n-ro 7
La rezulta ponto 656 iĝas la nucleation centro por la kresko de la 5656 ripo.
Media materialo n-ro 8
Aldoni unu akvomolekulon al 5656 rando rezultigas tre moveblan neparigitan molekulon strukturon.
Media materialo n-ro 9
Du el tiuj neparigitaj akvomolekuloj povas poste kombini en pli stabilan heptagonalan strukturon, kompletigante la konvertiĝon de 5656 ĝis 5756.
Por pli detala konatiĝo kun la nuancoj de la studo, mi rekomendas rigardi .
Epilogo
La ĉefa konkludo de ĉi tiu studo estas ke la observita konduto de strukturoj dum kresko povas esti komuna al ĉiuj specoj de dudimensia glacio. Dutavola sesangula glacio formiĝas sur diversaj hidrofobaj surfacoj kaj sub hidrofobaj enfermkondiĉoj, kaj tial povas esti konsiderata kiel aparta 2D kristalo (2D glacio I), kies formado estas nesentema al la subesta strukturo de la substrato.
Sciencistoj honeste diras, ke ilia bildiga tekniko ankoraŭ ne taŭgas por labori kun tridimensia glacio, sed la rezultoj de studado de dudimensia glacio povas servi kiel bazo por klarigi la formprocezon de ĝia volumetra parenco. Alivorte, kompreni kiel dudimensiaj strukturoj formiĝas estas grava fundamento por studi tridimensiajn. Ĝuste tiucele la esploristoj planas plibonigi sian metodikon en la estonteco.
Dankon pro legado, restu scivolemaj kaj havu bonegan semajnon uloj. 🙂
Kelkaj reklamoj 🙂
Dankon pro restado ĉe ni. Ĉu vi ŝatas niajn artikolojn? Ĉu vi volas vidi pli interesan enhavon? Subtenu nin farante mendon aŭ rekomendante al amikoj, , unika analogo de enirnivelaj serviloj, kiu estis inventita de ni por vi: (havebla kun RAID1 kaj RAID10, ĝis 24 kernoj kaj ĝis 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 fojojn pli malmultekosta en Equinix Tier IV datumcentro en Amsterdamo? Nur ĉi tie en Nederlando! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - ekde $99! Legu pri
fonto: www.habr.com