همه می دانند که آب در سه حالت تجمع رخ می دهد. کتری را می گذاریم و آب شروع به جوشیدن و تبخیر می کند و از مایع به گاز تبدیل می شود. ما آن را در فریزر قرار می دهیم و شروع به تبدیل شدن به یخ می کند و در نتیجه از حالت مایع به حالت جامد می رود. با این حال، تحت شرایط خاص، بخار آب موجود در هوا می‌تواند بلافاصله وارد فاز جامد شده و فاز مایع را دور بزند. ما این روند را با نتیجه آن می دانیم - الگوهای زیبا روی پنجره ها در یک روز سرد زمستانی. علاقه مندان به خودرو، هنگام تراشیدن لایه ای از یخ از شیشه جلو، اغلب این فرآیند را با استفاده از القاب نه چندان علمی، بلکه بسیار احساسی و واضح مشخص می کنند. به هر شکلی، جزئیات شکل گیری یخ های دو بعدی برای سالیان دراز پنهان بود. و اخیراً برای اولین بار، یک تیم بین المللی از دانشمندان توانستند ساختار اتمی یخ دو بعدی را در طول شکل گیری آن تجسم کنند. چه رازهایی در این فرآیند فیزیکی به ظاهر ساده نهفته است، دانشمندان چگونه توانستند آنها را کشف کنند و یافته های آنها چگونه مفید است؟ گزارش گروه پژوهشی در این باره به ما خواهد گفت. برو
مبنای تحقیق
اگر اغراق کنیم، تقریباً تمام اشیاء اطراف ما سه بعدی هستند. با این حال، اگر برخی از آنها را با دقت بیشتری در نظر بگیریم، می توانیم موارد دو بعدی را نیز پیدا کنیم. یک پوسته یخی که روی سطح چیزی تشکیل می شود نمونه بارز آن است. وجود چنین ساختارهایی برای جامعه علمی مخفی نیست، زیرا بارها مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته اند. اما مشکل این است که تجسم ساختارهای فراپایدار یا میانی درگیر در تشکیل یخ دو بعدی بسیار دشوار است. این به دلیل مشکلات پیش پا افتاده است - شکنندگی و شکنندگی سازه های مورد مطالعه.
خوشبختانه، روش‌های اسکن مدرن امکان تجزیه و تحلیل نمونه‌ها را با کمترین تأثیر را فراهم می‌کنند که به دلایل فوق امکان دستیابی به حداکثر داده‌ها را در مدت زمان کوتاهی فراهم می‌کند. در این مطالعه، دانشمندان از میکروسکوپ نیروی اتمی غیر تماسی استفاده کردند که نوک سوزن میکروسکوپ با مونوکسید کربن (CO) پوشانده شده بود. ترکیبی از این ابزارهای اسکن به دست آوردن تصاویر بلادرنگ از ساختارهای لبه یخ شش ضلعی دو بعدی دوبعدی رشد یافته روی سطح طلایی (Au) را ممکن می سازد.
میکروسکوپ نشان داده است که در طول تشکیل یخ دو بعدی، دو نوع لبه (بخش هایی که دو راس یک چند ضلعی را به هم متصل می کنند) به طور همزمان در ساختار آن وجود دارند: زیگزاگ (کج و معوج) و صندلی شکل (صندلی راحتی).
لبه های صندلی صندلی (چپ) و زیگزاگ (راست) با استفاده از گرافن به عنوان مثال.
در این مرحله، نمونه‌ها به سرعت منجمد شدند و امکان بررسی دقیق ساختار اتمی را فراهم کردند. مدلسازی نیز انجام شد که نتایج آن تا حد زیادی با نتایج مشاهداتی مطابقت داشت.
مشخص شد که در صورت تشکیل دنده های زیگزاگ، یک مولکول آب اضافی به لبه موجود اضافه می شود و کل فرآیند توسط مکانیسم پل تنظیم می شود. اما در مورد تشکیل دنده های صندلی، هیچ مولکول اضافی شناسایی نشد، که به شدت با ایده های سنتی در مورد رشد یخ شش ضلعی دو لایه و به طور کلی مواد شش ضلعی دو بعدی در تضاد است.
چرا دانشمندان یک میکروسکوپ نیروی اتمی غیر تماسی را برای مشاهدات خود به جای میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) یا میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) انتخاب کردند؟ همانطور که قبلاً می دانیم، انتخاب مربوط به دشواری مطالعه ساختارهای کوتاه مدت و شکننده یخ دو بعدی است. STM قبلاً برای مطالعه یخ های دوبعدی رشد کرده روی سطوح مختلف استفاده می شد، اما این نوع میکروسکوپ به موقعیت هسته ها حساس نیست و نوک آن می تواند باعث خطاهای تصویربرداری شود. برعکس، TEM ساختار اتمی دنده ها را کاملاً نشان می دهد. با این حال، به دست آوردن تصاویر با کیفیت بالا نیاز به الکترون‌های پرانرژی دارد، که می‌توانند به راحتی ساختار لبه مواد دوبعدی با پیوند کووالانسی را تغییر دهند یا حتی از بین ببرند، نه اینکه به لبه‌های با پیوند سست‌تر در یخ دو بعدی اشاره کنیم.
یک میکروسکوپ نیروی اتمی چنین معایبی ندارد و یک نوک با پوشش CO اجازه می دهد تا آب سطحی را با کمترین تأثیر بر مولکول های آب مطالعه کند.
نتایج مطالعه
تصویر شماره 1
یخ دو بعدی روی سطح Au(111) در دمای حدود 120 کلوین رشد کرد و ضخامت آن 2.5 Å بود.1a).
تصاویر STM از یخ (1c) و تصویر تبدیل فوریه سریع مربوطه (درج شده در 1a) یک ساختار شش ضلعی منظم با تناوب Au(111)-√3 x √3-30° را نشان می دهد. اگرچه شبکه سلولی متصل به H از یخ دو بعدی در تصویر STM قابل مشاهده است، تعیین توپولوژی دقیق ساختارهای لبه دشوار است. در همان زمان، AFM با تغییر فرکانس (Δf) از همان منطقه نمونه، تصاویر بهتری را ارائه داد (1d) که امکان تجسم بخش های صندلی شکل و زیگزاگ سازه را فراهم می کند. طول کل هر دو نوع قابل مقایسه است، اما طول متوسط دنده قبلی کمی بیشتر است (1b). دنده های زیگزاگ می توانند تا 60 Å رشد کنند، اما آنهایی که به شکل صندلی هستند در طول تشکیل با نقص هایی پوشیده می شوند که حداکثر طول آنها را به 10-30 Å کاهش می دهد.
سپس، تصویربرداری سیستماتیک AFM در ارتفاع های مختلف سوزن انجام شد (2a).
تصویر شماره 2
در بالاترین ارتفاع نوک، زمانی که سیگنال AFM تحت سلطه نیروی الکترواستاتیکی مرتبه بالاتر است، دو مجموعه از زیرشبکه های √3 x √ در یخ دولایه دو بعدی شناسایی شدند که یکی از آنها در نشان داده شده است. 2a (ترک کرد).
در ارتفاعات سوزن کمتر، عناصر روشن این زیرآرایه شروع به نشان دادن جهت می کنند و زیرآرایه دیگر به یک عنصر V شکل تبدیل می شود.2a، متمرکز).
در حداقل ارتفاع سوزن، AFM یک ساختار لانه زنبوری با خطوط واضحی را نشان می دهد که دو زیرشبکه را به هم متصل می کند، که یادآور پیوندهای H است.2a، سمت راست).
محاسبات تئوری تابعی چگالی نشان می دهد که یخ دوبعدی رشد کرده روی سطح Au(111) مطابق با ساختار یخی دو لایه درهم تنیده است.2) از دو لایه صاف شش ضلعی آب تشکیل شده است. شش ضلعی های دو ورق مزدوج هستند و زاویه بین مولکول های آب در صفحه 120 درجه است.
در هر لایه آب، نیمی از مولکول های آب به صورت افقی (موازی با بستر) و نیمی دیگر به صورت عمودی (عمود بر بستر)، با یک O-H به سمت بالا یا پایین قرار دارند. آب به صورت عمودی در یک لایه، پیوند H را به آب افقی در لایه دیگر اهدا می کند و در نتیجه ساختار H شکل کاملاً اشباع می شود.
شبیه سازی AFM با استفاده از نوک چهار قطبی (dz 2)2bبر اساس مدل فوق مطابقت خوبی با نتایج تجربی دارد (2a). متأسفانه ارتفاعات مشابه آب افقی و عمودی شناسایی آنها را در طول تصویربرداری STM دشوار می کند. با این حال، هنگام استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی، مولکول های هر دو نوع آب به وضوح قابل تشخیص هستند.2a и 2b درست است) زیرا نیروی الکترواستاتیک مرتبه بالاتر به جهت گیری مولکول های آب بسیار حساس است.
همچنین می توان جهت OH آب افقی و عمودی را از طریق برهمکنش بین نیروهای الکترواستاتیکی مرتبه بالاتر و نیروهای دافعه پائولی تعیین کرد، همانطور که توسط خطوط قرمز در نشان داده شده است. 2a и 2b (مرکز).
تصویر شماره 3
در تصاویر 3a и 3b (مرحله 1) تصاویر AFM بزرگ شده را به ترتیب از باله های زیگزاگ و صندلی نشان می دهد. مشخص شد که لبه زیگزاگ با حفظ ساختار اولیه خود رشد می کند و با رشد لبه صندلی شکل، لبه در ساختار تناوبی 5756 حلقه بازسازی می شود. هنگامی که ساختار دنده ها به طور دوره ای دنباله پنج ضلعی - هفت ضلعی - پنج ضلعی - شش ضلعی را تکرار می کند.
محاسبات تئوری تابعی چگالی نشان می دهد که باله زیگزاگ بازسازی نشده و باله صندلی 5756 پایدارترین هستند. لبه 5756 در نتیجه اثرات ترکیبی ایجاد می شود که تعداد پیوندهای هیدروژنی غیراشباع را به حداقل می رساند و انرژی کرنش را کاهش می دهد.
دانشمندان به یاد می آورند که صفحات پایه یخ شش ضلعی معمولاً به دنده های زیگزاگ ختم می شوند و دنده های صندلی شکل به دلیل چگالی بالاتر پیوندهای هیدروژنی غیراشباع وجود ندارند. با این حال، در سیستم‌های کوچک یا جاهایی که فضا محدود است، باله‌های صندلی می‌توانند انرژی خود را از طریق طراحی مجدد مناسب کاهش دهند.
همانطور که قبلاً ذکر شد، زمانی که رشد یخ در دمای 120 کلوین متوقف شد، نمونه بلافاصله تا دمای 5 کلوین خنک شد تا ساختارهای لبه‌ای فراپایدار یا انتقالی منجمد شود و از عمر نسبتاً طولانی نمونه برای مطالعه دقیق با استفاده از STM و AFM اطمینان حاصل شود. همچنین بازسازی فرآیند رشد یخ دو بعدی (تصویر شماره 3) به لطف نوک میکروسکوپ با عملکرد CO امکان پذیر بود که امکان تشخیص ساختارهای فراپایدار و انتقالی را فراهم کرد.
در مورد دنده های زیگزاگ، گاهی اوقات پنج ضلعی های جداگانه متصل به دنده های مستقیم یافت می شد. آنها می توانند در یک ردیف ردیف شوند و آرایه ای با تناوب 2 x تشکیل دهند آس (آس ثابت شبکه یخ دو بعدی است). این مشاهدات ممکن است نشان دهد که رشد لبه های زیگزاگ با تشکیل یک آرایه تناوبی از پنج ضلعی آغاز می شود.3a، مرحله 1-3)، که شامل اضافه کردن دو جفت آب برای پنج ضلعی (فلش های قرمز) است.
در مرحله بعد، آرایه پنج ضلعی به هم متصل می شود تا ساختاری مانند 56665 (3a، مرحله 4)، و سپس با افزودن بخار آب بیشتر، ظاهر زیگزاگی اولیه را بازیابی می کند.
با لبه های صندلی شکل، وضعیت برعکس است - هیچ آرایه ای از پنج ضلعی وجود ندارد، اما در عوض شکاف های کوتاهی مانند 5656 در لبه اغلب مشاهده می شود. طول باله 5656 به طور قابل توجهی کوتاهتر از 5756 است. این احتمالاً به این دلیل است که باله 5656 نسبت به 5756 فشار زیادی دارد و پایداری کمتری دارد. با شروع باله صندلی 5756، 575 حلقه به صورت محلی با اضافه کردن دو حلقه به 656 تبدیل می شوند. بخار آب (3b، مرحله 2). سپس حلقه های 656 در جهت عرضی رشد می کنند و لبه ای از نوع 5656 را تشکیل می دهند.3b، مرحله 3)، اما با طول محدود به دلیل تجمع انرژی تغییر شکل.
اگر یک جفت آب به شش ضلعی باله 5656 اضافه شود، تغییر شکل می تواند تا حدی ضعیف شود و این دوباره منجر به تشکیل باله 5756 می شود.3b، مرحله 4).
نتایج فوق بسیار نشانگر هستند، اما تصمیم گرفته شد که آنها را با داده های اضافی به دست آمده از محاسبات دینامیک مولکولی بخار آب در سطح طلا (111) پشتیبانی کنیم.
مشخص شد که جزایر یخی دولایه دوبعدی با موفقیت و بدون مانع روی سطح شکل گرفته اند که با مشاهدات تجربی ما مطابقت دارد.
تصویر شماره 4
روی تصویر 4a مکانیسم تشکیل جمعی پل ها بر روی دنده های زیگزاگ گام به گام نشان داده شده است.
در زیر مطالب رسانه ای در مورد این مطالعه همراه با توضیحات آمده است.
مواد رسانه ای شماره 1
شایان ذکر است که یک پنج ضلعی منفرد متصل به لبه زیگزاگ نمی تواند به عنوان یک مرکز هسته سازی محلی برای ترویج رشد عمل کند.
مواد رسانه ای شماره 2
درعوض، ابتدا شبکه ای از پنج ضلعی های دوره ای اما غیر متصل در لبه زیگزاگ تشکیل می شود و مولکول های آب ورودی بعدی به طور جمعی سعی می کنند این پنج ضلعی ها را به هم وصل کنند و در نتیجه ساختار زنجیره ای از نوع 565 تشکیل می شود. متاسفانه چنین ساختاری در طول مدت مشاهده نشده است. مشاهدات عملی، که طول عمر بسیار کوتاه آن را توضیح می دهد.
مطالب رسانه ای شماره 3 و شماره 4
اضافه شدن یک جفت آب، ساختار نوع 565 و پنج ضلعی مجاور را به هم متصل می کند و در نتیجه ساختار نوع 5666 شکل می گیرد.
ساختار نوع 5666 به صورت جانبی رشد می کند تا ساختار نوع 56665 را تشکیل دهد و در نهایت به یک شبکه شش ضلعی کاملا متصل تبدیل می شود.
مطالب رسانه ای شماره 5 و شماره 6
روی تصویر 4b رشد در مورد دنده صندلی نشان داده شده است. تبدیل حلقه‌های نوع 575 به حلقه‌های نوع 656 از لایه زیرین شروع می‌شود و ساختار ترکیبی 575/656 را تشکیل می‌دهد که در آزمایش‌ها از باله‌های نوع 5756 قابل تشخیص نیست، زیرا فقط لایه بالایی یخ دو لایه را می‌توان تصویر کرد. در طول آزمایشات
مواد رسانه ای شماره 7
پل 656 ایجاد شده به مرکز هسته برای رشد دنده 5656 تبدیل می شود.
مواد رسانه ای شماره 8
افزودن یک مولکول آب به لبه 5656 منجر به یک ساختار مولکولی بدون جفت بسیار متحرک می شود.
مواد رسانه ای شماره 9
دو تا از این مولکول‌های آب جفت نشده می‌توانند متعاقباً به یک ساختار هفت‌ضلعی پایدارتر ترکیب شوند و تبدیل از 5656 به 5756 را تکمیل کنند.
برای آشنایی دقیق تر با تفاوت های ظریف مطالعه، توصیه می کنم نگاه کنید .
خاتمه
نتیجه اصلی این مطالعه این است که رفتار مشاهده شده سازه ها در طول رشد ممکن است در همه انواع یخ های دو بعدی مشترک باشد. یخ شش ضلعی دولایه بر روی سطوح مختلف آبگریز و تحت شرایط محصور شدن آبگریز تشکیل می شود و بنابراین می توان آن را به عنوان یک کریستال دو بعدی جداگانه (2D ice I) در نظر گرفت که تشکیل آن به ساختار زیرین بستر حساس نیست.
دانشمندان صادقانه می گویند که تکنیک تصویربرداری آنها هنوز برای کار با یخ سه بعدی مناسب نیست، اما نتایج مطالعه یخ دو بعدی می تواند مبنایی برای توضیح روند تشکیل نسبی حجمی آن باشد. به عبارت دیگر، درک چگونگی شکل گیری ساختارهای دو بعدی، پایه مهمی برای مطالعه ساختارهای سه بعدی است. به همین منظور است که محققان قصد دارند در آینده روش خود را بهبود بخشند.
ممنون که خواندید، کنجکاو باشید و هفته خوبی داشته باشید بچه ها. 🙂
چند تبلیغ 🙂
از اینکه با ما ماندید متشکرم آیا مقالات ما را دوست دارید؟ آیا می خواهید مطالب جالب تری ببینید؟ با ثبت سفارش یا معرفی به دوستان از ما حمایت کنید , یک آنالوگ منحصر به فرد از سرورهای سطح ورودی که توسط ما برای شما اختراع شده است: (در دسترس با RAID1 و RAID10، حداکثر 24 هسته و حداکثر 40 گیگابایت DDR4).
Dell R730xd 2 برابر ارزان تر در مرکز داده Equinix Tier IV در آمستردام؟ فقط اینجا در هلند! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - از 99 دلار! در مورد بخوانید
منبع: www.habr.com