Denek daki ura hiru agregazio-egoeretan gertatzen dela. Eltera jartzen dugu, eta ura irakiten eta lurruntzen hasten da, likidotik gas izatera igaroz. Izozkailuan sartzen dugu, eta izotz bihurtzen hasten da, eta horrela likidotik solidora igarotzen da. Hala ere, zenbait egoeratan, airean dagoen ur-lurruna berehala pasa daiteke fase solidora, fase likidoa saihestuz. Prozesu hau bere emaitzagatik ezagutzen dugu: neguko egun izoztu batean leihoetan eredu ederrak. Auto zaleek, haizetako izotz geruza bat harrapatzen dutenean, sarritan ezaugarritzen dute prozesu hau epiteto ez oso zientifikoak, baina oso emozionalak eta biziak erabiliz. Modu batera edo bestera, bi dimentsioko izotzaren sorreraren xehetasunak ezkutuan egon ziren urte askotan. Eta duela gutxi, lehen aldiz, nazioarteko zientzialari talde batek bi dimentsioko izotzaren egitura atomikoa ikusarazi ahal izan zuen bere sorreran zehar. Zer sekretu ezkutatzen dira itxuraz sinplea den prozesu fisiko honetan, nola lortu zuten zientzialariek haiek aurkitzea, eta nola dira erabilgarriak haien aurkikuntzak? Ikerketa taldearen txostenak horren berri emango digu. Zoaz.
Ikerketaren oinarria
Gehiegi egiten badugu, inguruan ditugun objektu ia guztiak hiru dimentsiokoak dira. Hala ere, horietako batzuk zehatzago kontuan hartzen baditugu, bi dimentsiokoak ere aurki ditzakegu. Zerbaiten gainazalean sortzen den izotz lurrazala da horren adibide nagusia. Horrelako egiturak egotea ez da sekretua komunitate zientifikoarentzat, askotan aztertu baitira. Baina arazoa da nahiko zaila dela 2D izotzaren eraketan parte hartzen duten metaegonkorrak edo bitarteko egiturak ikustea. Hau arazo hutsalengatik gertatzen da: aztertzen ari diren egituren hauskortasuna eta hauskortasuna.
Zorionez, eskaneaketa-metodo modernoek laginak inpaktu minimoarekin aztertzea ahalbidetzen dute, eta horri esker, datu maximoak denbora laburrean lortu daitezke, aipatutako arrazoiengatik. Ikerketa honetan, zientzialariek ukipenik gabeko indar atomikoaren mikroskopia erabili zuten, mikroskopioaren orratzaren punta karbono monoxidoz (CO) estalita zuela. Eskaneatzeko tresna hauen konbinazioari esker, urrezko (Au) gainazalean hazitako bi dimentsioko geruza biko izotz hexagonalaren ertz-egituren irudiak denbora errealean eskura daitezke.
Mikroskopiak frogatu du bi dimentsioko izotza eratzean, bi ertz mota (poligono baten bi erpin lotzen dituzten segmentuak) batera bizi direla bere egituran: sigi-saga.sigi-saga) eta aulki itxurako (besaulki).
Besaulkia (ezkerrean) eta sigi-saga (eskuinean) ertzak grafenoa erabiliz adibide gisa.
Fase honetan, laginak azkar izoztu ziren, egitura atomikoa zehatz-mehatz aztertzeko aukera emanez. Modelizazioa ere egin zen, eta horren emaitzak behaketa emaitzekin bat datoz neurri handi batean.
Sigi-saga-saihetsen eraketaren kasuan, ur molekula gehigarri bat gehitzen zaiola dagoen ertzean, eta prozesu osoa zubi-mekanismoaren bidez erregulatzen da. Baina besaulkiaren saihetsak eratzearen kasuan, ez zen molekula gehigarririk detektatu, bi geruza hexagonaleko izotzaren eta, oro har, bi dimentsioko substantzia hexagonalen hazkuntzari buruzko ideia tradizionalekin oso kontraesana.
Zergatik aukeratu zuten zientzialariek ukipenik gabeko indar atomikoko mikroskopio bat beren behaketetarako, eskaneatzeko tunel-mikroskopioa (STM) edo transmisiozko mikroskopio elektronikoa (TEM) baino? Dagoeneko dakigunez, hautua bi dimentsioko izotzaren egitura laburreko eta hauskorrak aztertzeko zailtasunarekin lotuta dago. Aurretik STM hainbat gainazaletan hazitako 2D izotzak aztertzeko erabili izan da, baina mikroskopio mota hau ez da sentikorra nukleoen posizioarekin, eta bere puntak irudi akatsak sor ditzake. TEMek, aitzitik, saihetsen egitura atomikoa ezin hobeto erakusten du. Dena den, kalitate handiko irudiak lortzeko energia handiko elektroiak behar dira, kobalenteki loturiko XNUMXD materialen ertz-egitura erraz alda dezaketenak edo are suntsitu ditzaketenak, XNUMXD izotzaren ertz baxuagoak ez aipatzearren.
Indar atomikoko mikroskopio batek ez du halako desabantailarik, eta COz estalitako punta batek ur-molekulen eragin gutxien duen ur-interfazea aztertzea ahalbidetzen du.
Ikerketaren emaitzak
Irudia #1
Bi dimentsioko izotza Au(111) gainazalean hazi zen 120 K inguruko tenperaturan, eta bere lodiera 2.5 Γ zen (1a).
Izotzaren STM irudiak (1c) eta dagokion Fourier transformazio azkarraren irudia (txertatua 1a) egitura hexagonal ongi ordenatua erakusten dute, Au(111)-β3 x β3-30Β°-ko aldizkakotasuna duena. STM irudian 2D izotzaren H konektatutako sare zelularra ikusgai dagoen arren, ertz-egituren topologia zehatza zehaztea zaila da. Aldi berean, lagin-eremu bereko maiztasun-aldaketa (Ξf) duen AFM-k irudi hobeak eman zituen (1d), egituraren aulki formako eta sigi-saga-atalak ikusteko aukera eman zuen. Bi aldaeren guztizko luzera konparagarria da, baina aurreko saihetsaren batez besteko luzera apur bat luzeagoa da (1b). Sigi-saga-saihetsak 60 Γ -ko luzera izan ditzake, baina aulki itxurakoak akatsez estali egiten dira eraketan zehar, eta horrek gehienezko luzera 10-30 Γ -ra murrizten du.
Ondoren, AFM irudi sistematikoa egin zen orratzaren altuera ezberdinetan (2a).
Irudia #2
Puntako altueran, AFM seinalea maila altuagoko indar elektrostatikoa nagusi denean, bi dimentsioko geruza biko izotzean β3 x β3 azpisarez osatutako bi multzo identifikatu ziren, eta horietako bat ageri da. 2a (ezkerrean).
Orratz-altuera baxuagoetan, azpibarra honen elementu distiratsuak noranzkotasuna erakusten hasten dira, eta beste azpibarra V formako elementu batean bihurtzen da (2a, zentratuta).
Orratzaren gutxieneko altueran, AFM-k abaraska-egitura bat erakusten du bi azpisare lotzen dituzten lerro argiekin, H-loturak gogorarazten dituztenak (2a, eskuinaldean).
Dentsitatearen teoria funtzionalaren kalkuluek erakusten dute Au(111) gainazalean hazi den bi dimentsioko izotza elkarri lotuta dagoela bi geruzako izotz egiturari (2c), bi ur-geruza hexagonal lauz osatua. Bi xafletako hexagonoak konjokatuta daude, eta planoko ur molekulen arteko angelua 120Β°-koa da.
Ur-geruza bakoitzean, ur molekulen erdiak horizontalean (substratuarekiko paraleloan) eta beste erdia bertikalki (substratuarekiko perpendikularra), OβH bat gora edo behera zuzenduta dago. Geruza batean bertikalki etzanda dagoen urak H-lotura ematen dio beste geruza bateko ur horizontalari, eta ondorioz, H itxurako egitura guztiz saturatua da.
AFM simulazioa kuadrupoloa (dz 2) punta erabiliz (2b) goiko ereduan oinarrituta bat dator emaitza esperimentalekin (2a). Zoritxarrez, ur horizontalen eta bertikalen antzeko altuerek identifikazioa zaila egiten dute STM irudietan zehar. Hala ere, indar atomikoaren mikroskopia erabiltzean, bi ur motaren molekulak argi eta garbi bereizten dira (2a ΠΈ 2b eskuineko) maila altuagoko indar elektrostatikoa ur molekulen orientazioarekiko oso sentikorra delako.
Ur horizontal eta bertikalaren OH norabidea gehiago zehaztea posible izan zen, maila altuagoko indar elektrostatikoen eta Pauli-ren aldaratze-indarren arteko elkarrekintzaren bidez, lerro gorriek erakusten duten moduan. 2a ΠΈ 2b (erdian).
Irudia #3
Irudietan 3a ΠΈ 3b (1. urratsa) sigi-saga eta besaulki-hegatsaren AFM irudiak handituta erakusten ditu, hurrenez hurren. Jatorrizko egitura mantenduz sigi-saga-ertza hazten dela aurkitu zen, eta aulki itxurako ertzaren hazkundearekin, ertza berreskuratzen da 5756 eraztunen egitura periodikoan, hau da. saihetsen egiturak aldian-aldian pentagonoa - heptagonoa - pentagonoa - hexagonoa errepikatzen duenean.
Dentsitatearen teoria funtzionalaren kalkuluek erakusten dute berreraiki gabeko sigi-saga-hegala eta 5756 aulki-hegatsa egonkorrenak direla. 5756 ertza hidrogeno-lotura asegabeen kopurua minimizatzen duten eta tentsio-energia murrizten duten efektu konbinatuen ondorioz eratzen da.
Zientzialariek gogorarazten dute izotz hexagonalaren plano basalak normalean sigi-sagako saihetsetan amaitzen direla, eta aulki formako saihetsak ez daudela saturatu gabeko hidrogeno-loturen dentsitate handiagoa dela eta. Dena den, sistema txikietan edo espazioa mugatua den lekuetan, aulki-hegatsak energia murriztu dezakete birdiseinu egokiaren bidez.
Lehen esan bezala, 120 K-ko izotzaren hazkundea gelditu zenean, lagina berehala hoztu zen 5 K-ra, metaegonkorrak edo trantsizio-ertz-egiturak izozten saiatzeko eta laginaren bizitza luze samarra ziurtatzeko STM eta AFM erabiliz azterketa zehatza egiteko. Halaber, bi dimentsioko izotzaren hazkuntza-prozesua berreraiki ahal izan zen (3. zk. irudia) CO-funtzionalizatutako mikroskopio-puntari esker, eta horri esker, metaegonkorrak eta trantsizio-egiturak detektatu ahal izan ziren.
Sigi-sagako saihetsen kasuan, zenbaitetan pentagono indibidualak saihets zuzenei lotuta aurkitzen ziren. Errenkadan lerroka zitezkeen, 2 x-ko aldizkakotasuna duen array bat osatuz izotza (izotza bi dimentsioko izotzaren sare-konstantea da). Behaketa honek sigi-saga-ertzen hazkundea pentagonoen multzo periodiko baten eraketarekin hasten dela adieraz dezake (3a, 1-3 urratsa), pentagonorako bi ur-pare gehitzen dituena (gezi gorriak).
Ondoren, pentagonoen multzoa konektatzen da 56665 bezalako egitura bat osatzeko (3a, 4. etapa), eta, ondoren, jatorrizko sigi-saga itxura berreskuratzen du ur-lurrun gehiago gehituz.
Aulki itxurako ertzekin egoera alderantzizkoa da: ez dago pentagonoen multzorik, baina ertzean 5656 bezalako hutsune laburrak sarritan ikusten dira. 5656 hegatsaren luzera 5756arena baino nabarmen laburragoa da. 5656 hegatsaren tentsio handia duelako eta 5756a baino egonkorragoa delako. 5756 aulkiaren hegatsetik hasita, 575 eraztun 656 eraztun bihurtzen dira lokalean, bi gehituz. ur-lurruna (3b, 2. etapa). Jarraian, 656 eraztunak zeharkako norabidean hazten dira, 5656 motako ertza osatuz (3b, 3. etapa), baina luzera mugatuarekin deformazio-energiaren metaketaren ondorioz.
5656 hegatsaren hexagonoari ur-pare bat gehitzen bazaio, deformazioa partzialki ahuldu daiteke, eta honek berriro ere 5756 hegats bat sortzea ekarriko du (3b, 4. etapa).
Goiko emaitzak oso adierazgarriak dira, baina Au (111) gainazaleko ur-lurrunaren dinamika molekularreko kalkuluetatik lortutako datu gehigarriekin onartzea erabaki zen.
Aurkitu zen XNUMXD geruza bikoitzeko izotz uharteak arrakastaz eta oztoporik gabe sortu zirela gainazalean, eta hori bat dator gure behaketa esperimentalekin.
Irudia #4
Irudian 4a Sigi-sagako saihetsetan zubiak eratzeko mekanismoa urratsez urrats erakusten da.
Jarraian, azterketa honi buruzko komunikabideetako materialak daude deskribapen batekin.
Hedabideetako materiala 1. zenbakia
Aipatzekoa da sigi-saga-ertz bati atxikitako pentagono bakar batek ezin duela tokiko nukleazio-zentro gisa jardun hazkundea sustatzeko.
Hedabideetako materiala 2. zenbakia
Horren ordez, pentagonoen sare periodikoa baina konektatu gabekoa sortzen da hasieran sigi-saga-ertzean, eta ondorengo ur-molekulak pentagono hauek lotzen saiatzen dira, eta ondorioz 565 motako kate-egitura bat sortzen da. Zoritxarrez, ez da horrelako egiturarik ikusi. behaketa praktikoak, eta horrek bere bizitza oso laburra azaltzen du.
Hedabideen materiala 3. eta 4. zenbakia
Ur-pare bat gehitzeak 565 motako egitura eta ondoko pentagonoa lotzen ditu, eta ondorioz 5666 motako egitura eratzen da.
5666 motako egitura albotik hazten da 56665 motako egitura osatzeko eta azkenean guztiz konektatutako sare hexagonal batean garatzen da.
Hedabideen materiala 5. eta 6. zenbakia
Irudian 4b hazkundea besaulki saihets baten kasuan erakusten da. 575 motako eraztunetatik 656 motako eraztunetarako bihurketa beheko geruzatik hasten da, esperimentuetan 575 motako hegatsetik bereizi ezin den 656/5756 egitura konposatua osatuz, bi geruzako izotzaren goiko geruza baino ezin baita irudikatu. esperimentuetan zehar.
Hedabideetako materiala 7. zenbakia
Ondorioz, 656 zubia 5656 saihetsaren hazkuntzarako nukleazio-zentro bihurtzen da.
Hedabideetako materiala 8. zenbakia
5656 ertz bati ur molekula bat gehitzeak parekatu gabeko molekula-egitura oso mugikorra lortzen du.
Hedabideetako materiala 9. zenbakia
Parekatu gabeko ur molekula hauetako bi egitura heptagonal egonkorrago batean konbina daitezke, 5656tik 5756rako bihurketa osatuz.
Ikerketaren Γ±abardurak zehatzago ezagutzeko, begiratzea gomendatzen dut .
Epilogoa
Ikerketa honen ondorio nagusia hauxe da: hazkuntzan zehar egiturak ikusitako portaera komuna izan daitekeela bi dimentsioko izotz mota guztietan. Bi geruza hexagonaleko izotza hainbat gainazal hidrofobikotan eta konfinamendu hidrofoboko baldintzetan sortzen da, eta, beraz, 2D kristal bereizi gisa har daiteke (2D izotza I), zeinaren eraketa substratuaren azpiko egiturarekiko sentikorra ez den.
Zientzialariek zintzotasunez diote euren irudien teknika ez dela oraindik egokia hiru dimentsioko izotzarekin lan egiteko, baina bi dimentsioko izotza aztertzearen emaitzek oinarri gisa balio dezakete bere erlatibo bolumetrikoaren eraketa-prozesua azaltzeko. Beste era batera esanda, bi dimentsioko egiturak nola sortzen diren ulertzea oinarri garrantzitsua da hiru dimentsiokoak aztertzeko. Horretarako ikertzaileek etorkizunean euren metodoa hobetzeko asmoa dute.
Eskerrik asko irakurtzeagatik, egon jakin-mina eta ondo pasa astea lagunok. π
Iragarki batzuk π
Eskerrik asko gurekin geratzeagatik. Gustuko dituzu gure artikuluak? Eduki interesgarri gehiago ikusi nahi? Lagun iezaguzu eskaera bat eginez edo lagunei gomendatuz, , sarrera-mailako zerbitzarien analogo paregabea, guk zuretzat asmatu duguna: (RAID1 eta RAID10-ekin erabilgarri, 24 nukleoraino eta 40 GB DDR4 arte).
Dell R730xd 2 aldiz merkeagoa Amsterdameko Equinix Tier IV datu-zentroan? Hemen bakarrik Herbehereetan! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 $-tik aurrera! Irakurri buruz
Iturria: www.habr.com