Kõik teavad, et vesi esineb kolmes agregatsiooniseisundis. Panime veekeetja peale ja vesi hakkab keema ja aurustuma, muutudes vedelast gaasiliseks. Panime selle sügavkülma ja see hakkab jääks muutuma, liikudes seeläbi vedelikust tahkesse olekusse. Kuid teatud tingimustel võib õhus olev veeaur vedelast faasist mööda minnes otsekohe tahkesse faasi minna. Me teame seda protsessi selle tulemuse järgi – kaunid mustrid akendel pakaselisel talvepäeval. Autohuvilised iseloomustavad esiklaasilt jääkihti kraapides seda protsessi sageli mitte väga teaduslike, kuid väga emotsionaalsete ja erksate epiteetidega. Nii või teisiti varjutati kahemõõtmelise jää tekkimise üksikasju pikkadeks aastateks saladuseks. Ja hiljuti suutis rahvusvaheline teadlaste meeskond esimest korda visualiseerida kahemõõtmelise jää aatomistruktuuri selle tekkimise ajal. Millised saladused on selles näiliselt lihtsas füüsilises protsessis peidus, kuidas õnnestus teadlastel need paljastada ja kuidas on nende leiud kasulikud? Sellest räägib meile uurimisrühma aruanne. Mine.
Uurimistöö alus
Kui liialdada, siis praktiliselt kõik meid ümbritsevad objektid on kolmemõõtmelised. Kui aga mõnda neist hoolikamalt kaaluda, võib leida ka kahemõõtmelisi. Millegi pinnale tekkiv jääkoorik on selle suurepärane näide. Selliste struktuuride olemasolu pole teadlaskonnale saladus, sest neid on korduvalt analüüsitud. Kuid probleem on selles, et 2D jää moodustumisel osalevaid metastabiilseid või vahepealseid struktuure on üsna raske visualiseerida. Selle põhjuseks on banaalsed probleemid - uuritavate struktuuride haprus ja haprus.
Õnneks võimaldavad kaasaegsed skaneerimismeetodid proove analüüsida minimaalse mõjuga, mis võimaldab ülaltoodud põhjustel saada maksimaalselt andmeid lühikese aja jooksul. Selles uuringus kasutasid teadlased mittekontaktset aatomjõumikroskoopiat, mille mikroskoobi nõela ots oli kaetud süsinikmonooksiidiga (CO). Nende skaneerimisriistade kombinatsioon võimaldab saada reaalajas pilte kahemõõtmelise kahekihilise kuusnurkse jää, mis on kasvatatud kulla (Au) pinnale, servastruktuuridest.
Mikroskoopia on näidanud, et kahemõõtmelise jää tekkimise ajal eksisteerivad selle struktuuris samaaegselt kahte tüüpi servi (hulknurga kahte tippu ühendavad segmendid): siksak (Siksak) ja toolikujuline (tugitool).
Tugitooli (vasakul) ja siksakilise (paremal) servad, kasutades näitena grafeeni.
Selles etapis külmutati proovid kiiresti, võimaldades aatomi struktuuri üksikasjalikult uurida. Samuti viidi läbi modelleerimine, mille tulemused langesid suures osas vaatlustulemustega kokku.
Leiti, et siksakiliste ribide moodustumise korral lisandub olemasolevale servale täiendav veemolekul ning kogu protsessi reguleerib sillamehhanism. Kuid tugitooliribide moodustumise puhul ei tuvastatud täiendavaid molekule, mis on tugevalt vastuolus traditsiooniliste ideedega kahekihilise kuusnurkse jää ja üldiselt kahemõõtmeliste kuusnurksete ainete kasvu kohta.
Miks valisid teadlased oma vaatlusteks mittekontaktse aatomjõumikroskoobi, mitte skaneeriva tunnelmikroskoobi (STM) või transmissioonielektronmikroskoobi (TEM)? Nagu me juba teame, on valik seotud kahemõõtmelise jää lühiajaliste ja haprate struktuuride uurimise raskusega. STM-i on varem kasutatud erinevatel pindadel kasvatatud 2D jääde uurimiseks, kuid seda tüüpi mikroskoop ei ole tuumade asukoha suhtes tundlik ning selle ots võib tekitada pildistamisvigu. TEM, vastupidi, näitab suurepäraselt ribide aatomstruktuuri. Kvaliteetsete piltide saamiseks on aga vaja suure energiaga elektrone, mis võivad kergesti muuta või isegi hävitada kovalentse sidemega XNUMXD materjalide servastruktuuri, rääkimata XNUMXD jää lõdvemalt seotud servadest.
Aatomjõumikroskoobil selliseid puudusi ei ole ja CO-kattega ots võimaldab uurida pinnapealset vett, mõjutades veemolekule minimaalselt.
Uuringute tulemused
Pilt nr 1
Kahemõõtmelist jääd kasvatati Au(111) pinnal temperatuuril umbes 120 K ja selle paksus oli 2.5 Å (1а).
STM-pildid jääst (1c) ja vastav kiire Fourier' teisenduse kujutis (sisend 1а) näitavad hästi järjestatud kuusnurkset struktuuri perioodilisusega Au(111)-√3 x √3-30°. Ehkki 2D-jää raku H-ühendatud võrk on STM-pildil nähtav, on servastruktuuride üksikasjalikku topoloogiat raske kindlaks teha. Samal ajal andis sama prooviala sageduse nihkega (Δf) AFM paremaid pilte (1d), mis võimaldas visualiseerida konstruktsiooni toolikujulisi ja siksakilisi lõike. Mõlema variandi kogupikkus on võrreldav, kuid eelkäija ribi keskmine pikkus on veidi pikem (1b). Siksak-ribid võivad kasvada kuni 60 Å pikkuseks, kuid toolikujulised kattuvad moodustumise käigus defektidega, mis vähendab nende maksimaalset pikkust 10-30 Å-ni.
Järgmisena viidi läbi süstemaatiline AFM-pildistamine erinevatel nõela kõrgustel (2а).
Pilt nr 2
Kõrgeimal tipu kõrgusel, kui AFM-i signaalis domineerib kõrgemat järku elektrostaatiline jõud, tuvastati kahemõõtmelises kahekihilises jääs kaks √3 x √3 alamvõre komplekti, millest üks on näidatud joonisel 2а (vasakul).
Nõela madalamal kõrgusel hakkavad selle alamriba eredad elemendid näitama suunda ja teine alamriba muutub V-kujuliseks elemendiks (2a, tsentreeritud).
Nõela minimaalsel kõrgusel näitab AFM kärgstruktuuri, millel on selged jooned, mis ühendavad kahte alamvõret, mis meenutab H-sidemeid (2a, paremal).
Tiheduse funktsionaalse teooria arvutused näitavad, et kahemõõtmeline jää, mis on kasvanud Au(111) pinnal, vastab blokeerivale kahekihilisele jäästruktuurile (2c), mis koosneb kahest tasasest kuusnurksest veekihist. Kahe lehe kuusnurgad on konjugeeritud ja veemolekulide vaheline nurk tasapinnal on 120°.
Igas veekihis asuvad pooled veemolekulid horisontaalselt (paralleelselt substraadiga) ja teine pool vertikaalselt (substraadiga risti), kusjuures üks O-H on suunatud üles või alla. Ühes kihis vertikaalselt lamav vesi loob H-sideme teise kihi horisontaalsele veele, mille tulemuseks on täielikult küllastunud H-kujuline struktuur.
AFM-i simulatsioon kvadrupooli (dz 2) otsa abil (2b) on ülaltoodud mudeli põhjal hästi kooskõlas katsetulemustega (2a). Kahjuks muudavad horisontaalse ja vertikaalse vee sarnased kõrgused nende tuvastamise STM-pildistamise ajal keeruliseks. Aatomjõumikroskoopiat kasutades on aga mõlema veetüübi molekulid selgelt eristatavad (2a и 2b paremal), kuna kõrgemat järku elektrostaatiline jõud on veemolekulide orientatsiooni suhtes väga tundlik.
Samuti oli võimalik täiendavalt määrata horisontaalse ja vertikaalse vee OH-suunalisust kõrgemat järku elektrostaatiliste jõudude ja Pauli tõukejõudude vastastikmõju kaudu, nagu näitavad punased jooned 2а и 2b (Keskus).
Pilt nr 3
Piltidel 3а и 3b (1. etapp) näitab suurendatud AFM-pilte vastavalt siksak- ja tugitooli uimedest. Leiti, et siksakiline serv kasvab säilitades oma esialgse struktuuri ning toolikujulise serva kasvuga taastub serv 5756 rõnga perioodilises struktuuris, s.o. kui ribide struktuur kordab perioodiliselt järjestust viisnurk - seitsenurk - viisnurk - kuusnurk.
Tihedusfunktsionaalse teooria arvutused näitavad, et rekonstrueerimata siksakiline uim ja 5756 tooliuim on kõige stabiilsemad. 5756 serv moodustub kombineeritud efektide tulemusena, mis minimeerivad küllastumata vesiniksidemete arvu ja vähendavad pingeenergiat.
Teadlased meenutavad, et kuusnurkse jää põhitasandid lõpevad tavaliselt siksakiliste ribidega ja toolikujulised ribid puuduvad küllastumata vesiniksidemete suurema tiheduse tõttu. Kuid väikestes süsteemides või seal, kus ruumi on vähe, võivad tooli uimed õige ümberkujundamise abil oma energiat vähendada.
Nagu varem mainitud, jahutati proov, kui jää kasv temperatuuril 120 K peatati, kohe temperatuurini 5 K, et proovida külmutada metastabiilsed või ülemineku servastruktuurid ja tagada STM-i ja AFM-i abil üksikasjalikuks uurimiseks suhteliselt pikk proovi eluiga. Samuti oli võimalik rekonstrueerida kahemõõtmelise jää kasvuprotsessi (pilt nr 3) tänu CO-funktsionaliseeritud mikroskoobi otsale, mis võimaldas tuvastada metastabiilseid ja üleminekustruktuure.
Siksakiliste ribide puhul leiti mõnikord üksikuid viisnurki, mis olid kinnitatud sirgete ribide külge. Nad võiksid reastuda, moodustades massiivi perioodilisusega 2 x aice (aice on kahemõõtmelise jää võrekonstant). See tähelepanek võib viidata sellele, et siksakiliste servade kasvu algatab perioodilise viisnurkade massiivi moodustumine (3а, samm 1-3), mis hõlmab viisnurga jaoks kahe veepaari lisamist (punased nooled).
Järgmisena ühendatakse viisnurkade massiiv, et moodustada struktuur nagu 56665 (3а, etapp 4) ja taastab seejärel esialgse siksakilise välimuse, lisades rohkem veeauru.
Toolikujuliste äärtega on olukord vastupidine – viisnurkade massiivi pole, kuid see-eest on üsna sageli täheldatud lühikesi vahesid nagu 5656 serval. 5656 uime pikkus on oluliselt lühem kui 5756 oma. Võimalik, et uime 5656 on tugevalt pingestatud ja vähem stabiilne kui 5756. Alates 5756 uimest muudetakse 575 rõngast kohapeal 656 rõngaks, lisades kaks. veeaur (3b, etapp 2). Järgmisena kasvavad 656 rõngad risti, moodustades 5656 tüüpi serva (3b, etapp 3), kuid piiratud pikkusega deformatsioonienergia akumuleerumise tõttu.
Kui uime 5656 kuusnurgale lisada üks veepaar, võib deformatsioon osaliselt nõrgeneda ja see viib taas uime 5756 moodustumiseni (3b, etapp 4).
Ülaltoodud tulemused on väga soovituslikud, kuid neid otsustati toetada täiendavate andmetega, mis on saadud Au (111) pinnal veeauru molekulaardünaamika arvutustest.
Leiti, et pinnale moodustusid edukalt ja takistamatult kahemõõtmelised kahekihilised jääsaared, mis on kooskõlas meie eksperimentaalsete vaatlustega.
Pilt nr 4
Pildi peal 4а Samm-sammult on näidatud sildade kollektiivse moodustamise mehhanism siksakilistel ribidel.
Allpool on selle uuringu meediamaterjalid koos kirjeldusega.
Meediamaterjal nr 1
Väärib märkimist, et üks viisnurk, mis on kinnitatud siksakilise serva külge, ei saa toimida kasvu soodustamiseks kohaliku tuumakeskusena.
Meediamaterjal nr 2
Selle asemel moodustub algselt siksakilisele servale perioodiline, kuid mitteühendatud viisnurkade võrgustik ning järgnevad sissetulevad veemolekulid püüavad neid viisnurki kollektiivselt ühendada, mille tulemusena moodustub 565-tüüpi ahelstruktuur. Kahjuks ei ole sellist struktuuri täheldatud ajal. praktilisi tähelepanekuid, mis seletab selle äärmiselt lühikest eluiga.
Meediamaterjal nr 3 ja nr 4
Ühe veepaari lisamine ühendab 565 tüüpi struktuuri ja külgneva viisnurga, mille tulemusena moodustub 5666 tüüpi struktuur.
5666 tüüpi struktuur kasvab külgsuunas, moodustades 56665 tüüpi struktuuri ja areneb lõpuks täielikult ühendatud kuusnurkseks võreks.
Meediamaterjal nr 5 ja nr 6
Pildi peal 4b kasv on näidatud tugitooli ribi puhul. Üleminek 575. tüüpi rõngastelt 656. tüüpi rõngasteks algab alumisest kihist, moodustades komposiitstruktuuri 575/656, mida ei saa katsetes eristada tüübi 5756 uimest, kuna pildistada saab ainult kahekihilise jää pealmist kihti. katsete ajal.
Meediamaterjal nr 7
Saadud sillast 656 saab 5656 ribi kasvu tuumakeskus.
Meediamaterjal nr 8
Ühe veemolekuli lisamine 5656 servale annab väga liikuva paaritu molekuli struktuuri.
Meediamaterjal nr 9
Kaks neist paaritutest veemolekulidest võivad seejärel ühineda stabiilsemaks seitsenurkseks struktuuriks, viies lõpule konversiooni 5656-lt 5756-ks.
Uuringu nüanssidega täpsemaks tutvumiseks soovitan vaadata .
Epiloog
Selle uuringu peamine järeldus on, et struktuuride täheldatud käitumine kasvu ajal võib olla ühine igat tüüpi kahemõõtmelise jääga. Kahekihiline kuusnurkne jää moodustub erinevatel hüdrofoobsetel pindadel ja hüdrofoobsetes suletustingimustes ning seetõttu võib seda pidada eraldiseisvaks 2D-kristalliks (2D jää I), mille moodustumine on substraadi alusstruktuuri suhtes tundetu.
Teadlased ütlevad ausalt, et nende pildistamistehnika ei sobi veel kolmemõõtmelise jääga töötamiseks, kuid kahemõõtmelise jää uurimise tulemused võivad olla aluseks selle mahulise sugulase kujunemisprotsessi selgitamisel. Teisisõnu, kahemõõtmeliste struktuuride moodustumise mõistmine on oluline alus kolmemõõtmeliste struktuuride uurimisel. Just sel eesmärgil plaanivad teadlased oma metoodikat tulevikus täiustada.
Täname lugemise eest, olge uudishimulikud ja head nädalat, poisid. 🙂
Mõned reklaamid 🙂
Täname, et jäite meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Kas soovite näha huvitavamat sisu? Toeta meid, esitades tellimuse või soovitades sõpradele, , algtaseme serverite ainulaadne analoog, mille me teie jaoks leiutasime: (saadaval RAID1 ja RAID10, kuni 24 tuuma ja kuni 40 GB DDR4-ga).
Dell R730xd 2x odavam Amsterdami Equinixi Tier IV andmekeskuses? Ainult siin Hollandis! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – alates 99 dollarist! Millegi kohta lugema
Allikas: www.habr.com