Kaikki tietävät, että vesi esiintyy kolmessa aggregaatiotilassa. Laitamme vedenkeittimen päälle, ja vesi alkaa kiehua ja haihtua muuttuen nesteestä kaasumaiseksi. Laitamme sen pakastimeen, ja se alkaa muuttua jääksi ja siirtyy siten nesteestä kiinteään tilaan. Tietyissä olosuhteissa ilmassa oleva vesihöyry voi kuitenkin siirtyä välittömästi kiinteään faasiin ohittaen nestefaasin. Tunnemme tämän prosessin tuloksestaan - kauniita kuvioita ikkunoissa pakkaspäivänä. Auton harrastajat, raaputtaessaan jääkerrosta tuulilasista, luonnehtivat tätä prosessia usein käyttämällä ei kovin tieteellisiä, mutta erittäin tunnepitoisia ja eläviä epiteettejä. Tavalla tai toisella kaksiulotteisen jään muodostumisen yksityiskohdat olivat monien vuosien ajan salassa. Ja äskettäin kansainvälinen tutkijaryhmä pystyi ensimmäistä kertaa visualisoimaan kaksiulotteisen jään atomirakenteen sen muodostumisen aikana. Mitä salaisuuksia piilee tässä näennäisesti yksinkertaisessa fyysisessä prosessissa, miten tiedemiehet onnistuivat paljastamaan ne ja miten heidän löydöstään on hyötyä? Tutkimusryhmän raportti kertoo meille tästä. Mennä.
Tutkimuspohja
Jos liioittelemme, niin käytännössä kaikki ympärillämme olevat esineet ovat kolmiulotteisia. Jos kuitenkin tarkastellaan joitain niistä huolellisemmin, voimme löytää myös kaksiulotteisia. Jonkin pinnalle muodostuva jääkuori on tästä hyvä esimerkki. Tällaisten rakenteiden olemassaolo ei ole tiedeyhteisön salaisuus, koska niitä on analysoitu monta kertaa. Mutta ongelmana on, että on melko vaikeaa visualisoida metastabiileja tai välirakenteita, jotka osallistuvat 2D-jään muodostumiseen. Tämä johtuu banaaleista ongelmista - tutkittavien rakenteiden hauraudesta ja hauraudesta.
Onneksi nykyaikaiset skannausmenetelmät mahdollistavat näytteiden analysoinnin minimaalisella vaikutuksella, mikä mahdollistaa maksimaalisen datan saamisen lyhyessä ajassa edellä mainituista syistä johtuen. Tässä tutkimuksessa tutkijat käyttivät kosketuksetonta atomivoimamikroskopiaa, jossa mikroskoopin neulan kärki oli päällystetty hiilimonoksidilla (CO). Näiden skannaustyökalujen yhdistelmä mahdollistaa reaaliaikaisten kuvien saamisen kullan (Au) pinnalla kasvatetun kaksiulotteisen kaksiulotteisen kuusikulmaisen jään reunarakenteista.
Mikroskooppi on osoittanut, että kaksiulotteisen jään muodostumisen aikana sen rakenteessa esiintyy samanaikaisesti kahdentyyppisiä reunoja (segmenttejä, jotka yhdistävät monikulmion kaksi kärkeä): siksak (siksak-) ja tuolin muotoinen (nojatuoli).
Nojatuolin (vasen) ja siksak (oikea) reunat käyttämällä esimerkkinä grafeenia.
Tässä vaiheessa näytteet jäädytettiin nopeasti, jolloin atomirakennetta voitiin tutkia yksityiskohtaisesti. Myös mallinnus tehtiin, jonka tulokset olivat suurelta osin yhteneväiset havaintotulosten kanssa.
Havaittiin, että jos muodostuu siksak-ripoja, olemassa olevaan reunaan lisätään ylimääräinen vesimolekyyli, ja koko prosessia säätelee siltamekanismi. Mutta nojatuolin kylkiluiden muodostumisen tapauksessa lisämolekyylejä ei havaittu, mikä on vahvasti ristiriidassa perinteisten käsitysten kanssa kaksikerroksisen kuusikulmaisen jään ja yleensä kaksiulotteisten kuusikulmaisten aineiden kasvusta.
Miksi tutkijat valitsivat havainnointiinsa kosketuksettoman atomivoimamikroskoopin pyyhkäisytunnelimikroskoopin (STM) tai transmissioelektronimikroskoopin (TEM) sijaan? Kuten jo tiedämme, valinta liittyy kaksiulotteisen jään lyhytikäisten ja hauraiden rakenteiden tutkimisen vaikeuteen. STM:llä on aiemmin tutkittu eri pinnoilla kasvatettuja 2D-jäätä, mutta tämäntyyppinen mikroskooppi ei ole herkkä ytimien sijainnille ja sen kärki voi aiheuttaa kuvantamisvirheitä. TEM päinvastoin näyttää täydellisesti kylkiluiden atomirakenteen. Laadukkaiden kuvien saaminen vaatii kuitenkin korkeaenergisiä elektroneja, jotka voivat helposti muuttaa tai jopa tuhota kovalenttisesti sidottujen XNUMXD-materiaalien reunarakenteen, puhumattakaan XNUMXD-jään löysemmin sitoutuneista reunoista.
Atomivoimamikroskoopilla ei ole tällaisia haittoja, ja CO-pinnoitettu kärki mahdollistaa rajapinnan veden tutkimisen minimaalisella vaikutuksella vesimolekyyleihin.
Tutkimuksen tulokset
Kuva #1
Kaksiulotteista jäätä kasvatettiin Au(111)-pinnalla noin 120 K:n lämpötilassa ja sen paksuus oli 2.5 Å (1a).
STM-kuvia jäästä (1c) ja vastaava nopea Fourier-muunnoskuva (inset in 1a). Vaikka 111D-jään solukko H-kytketty verkko näkyy STM-kuvassa, reunarakenteiden yksityiskohtainen topologia on vaikea määrittää. Samaan aikaan AFM saman näytealueen taajuussiirrolla (Δf) antoi parempia kuvia (1d), joka mahdollisti rakenteen tuolinmuotoisten ja siksak-osien visualisoinnin. Molempien muunnelmien kokonaispituus on vertailukelpoinen, mutta edeltäjärivan keskipituus on hieman pidempi (1b). Siksak-kylkiluut voivat kasvaa jopa 60 Å:n pituisiksi, mutta tuolin muotoiset peittyvät muodostumisen aikana vikoja, mikä pienentää niiden maksimipituuden 10-30 Å:iin.
Seuraavaksi suoritettiin systemaattinen AFM-kuvaus eri neulan korkeuksilla (2a).
Kuva #2
Korkeimmalla kärjen korkeudella, kun AFM-signaalia hallitsee korkeampi sähköstaattinen voima, tunnistettiin kaksi √3 x √3 alihilaa kaksiulotteisessa kaksikerroksisessa jäässä, joista toinen on esitetty 2a (Vasen).
Alemmalla neulankorkeudella tämän aliryhmän kirkkaat elementit alkavat osoittaa suuntaa, ja toinen aliryhmä muuttuu V-muotoiseksi elementiksi (2a, keskellä).
Neulan vähimmäiskorkeudella AFM paljastaa hunajakennorakenteen, jossa on selkeät viivat, jotka yhdistävät kaksi alihilaa ja jotka muistuttavat H-sidoksia (2a, oikealla).
Tiheysfunktionaaliset teorialaskelmat osoittavat, että Au(111)-pinnalle kasvanut kaksiulotteinen jää vastaa toisiinsa lukittuvaa kaksikerroksista jäärakennetta (2s), joka koostuu kahdesta tasaisesta kuusikulmaisesta vesikerroksesta. Kahden levyn kuusikulmiot ovat konjugoituja, ja vesimolekyylien välinen kulma tasossa on 120°.
Kussakin vesikerroksessa puolet vesimolekyylistä on vaakasuorassa (samansuuntaisesti alustan kanssa) ja toinen puoli pystysuorassa (suorassa substraattiin nähden), ja yksi O-H osoittaa ylös tai alas. Yhdessä kerroksessa pystysuorassa oleva vesi muodostaa H-sidoksen toisessa kerroksessa olevaan vaakasuoraan veteen, mikä johtaa täysin kylläiseen H-muotoiseen rakenteeseen.
AFM-simulaatio kvadrupolin (dz 2) kärjen avulla (2b) perustuu yllä olevaan malliin, on hyvin sopusoinnussa kokeellisten tulosten kanssa (2a). Valitettavasti vaaka- ja pystysuoran veden samanlaiset korkeudet tekevät niiden tunnistamisen vaikeaksi STM-kuvauksen aikana. Atomivoimamikroskopiaa käytettäessä molempien vesityyppien molekyylit ovat kuitenkin selvästi erotettavissa (2a и 2b oikea), koska korkeamman asteen sähköstaattinen voima on erittäin herkkä vesimolekyylien orientaatiolle.
On myös mahdollista edelleen määrittää vaaka- ja pystysuoran veden OH-suuntaisuus korkeamman asteen sähköstaattisten voimien ja Paulin hylkimisvoimien välisen vuorovaikutuksen avulla, kuten punaiset viivat osoittavat 2a и 2b (keskusta).
Kuva #3
Kuvissa 3a и 3b (Vaihe 1) näyttää suurennettuja AFM-kuvia siksak- ja nojatuolin evät, vastaavasti. Todettiin, että siksak-reuna kasvaa säilyttäen alkuperäisen rakenteensa, ja tuolin muotoisen reunan kasvaessa reuna palautuu 5756 renkaan jaksolliseen rakenteeseen, ts. kun kylkiluiden rakenne toistaa ajoittain sekvenssiä viisikulmio - seitsemänkulmio - viisikulmio - kuusikulmio.
Tiheysfunktionaalisen teorialaskelmat osoittavat, että rekonstruoimaton siksak-evä ja 5756-tuolin evä ovat vakaimpia. 5756-reuna muodostuu yhdistetyistä vaikutuksista, jotka minimoivat tyydyttymättömien vetysidosten määrän ja vähentävät jännitysenergiaa.
Tutkijat muistavat, että kuusikulmaisen jään perustasot päättyvät yleensä siksak-riviin, ja tuolin muotoiset kylkiluut puuttuvat tyydyttymättömien vetysidosten suuremman tiheyden vuoksi. Kuitenkin pienissä järjestelmissä tai joissa tilaa on rajoitetusti, tuolin evät voivat vähentää energiaansa asianmukaisella uudelleensuunnittelulla.
Kuten aiemmin mainittiin, kun jään kasvu 120 K:ssa pysäytettiin, näyte jäähdytettiin välittömästi 5 K:een, jotta yritettiin jäädyttää metastabiilit tai siirtymäreunarakenteet ja varmistaa suhteellisen pitkä näytteen käyttöikä yksityiskohtaista tutkimusta varten STM:ää ja AFM:ää käyttäen. Myös kaksiulotteisen jään kasvuprosessi (kuva nro 3) oli mahdollista rekonstruoida CO-funktionalisoidun mikroskoopin kärjen ansiosta, joka mahdollisti metastabiilien ja siirtymärakenteiden havaitsemisen.
Siksak-kylkiluiden tapauksessa yksittäisiä viisikulmioita havaittiin joskus kiinnittyneenä suoriin kylkiluihin. Ne voisivat asettua riviin muodostaen taulukon, jonka jaksollisuus on 2 x aice (aice on kaksiulotteisen jään hilavakio). Tämä havainto voi viitata siihen, että siksak-reunojen kasvu käynnistyy jaksollisen viisikulmioryhmän muodostumisesta (3a, vaihe 1-3), joka sisältää kahden vesiparin lisäämisen viisikulmiota varten (punaiset nuolet).
Seuraavaksi viisikulmioryhmä yhdistetään muodostamaan rakenne, kuten 56665 (3a, vaihe 4), ja palauttaa sitten alkuperäisen siksak-ulkoasun lisäämällä vesihöyryä.
Tuolin muotoisilla reunoilla tilanne on päinvastainen - ei ole olemassa viisikulmioita, vaan sen sijaan reunassa havaitaan melko usein lyhyitä rakoja, kuten 5656. 5656 evän pituus on huomattavasti lyhyempi kuin 5756:n. Tämä johtuu mahdollisesti siitä, että 5656 evä on erittäin rasittunut ja vähemmän vakaa kuin 5756. Alkaen 5756 tuolin evästä, 575 rengasta muunnetaan paikallisesti 656 renkaaksi lisäämällä kaksi vesihöyry (3b, vaihe 2). Seuraavaksi 656-renkaat kasvavat poikittaissuunnassa muodostaen 5656-tyypin reunan (3b, vaihe 3), mutta sen pituus on rajoitettu muodonmuutosenergian kertymisen vuoksi.
Jos yksi vesipari lisätään 5656 evän kuusikulmioon, muodonmuutos voi osittain heiketä, mikä taas johtaa 5756 evän muodostumiseen (3b, vaihe 4).
Yllä olevat tulokset ovat hyvin suuntaa-antavia, mutta niitä päätettiin tukea lisätiedoilla, jotka on saatu Au (111) -pinnan vesihöyryn molekyylidynamiikkalaskelmista.
Havaittiin, että kaksiulotteiset kaksikerroksiset jääsaaret muodostuivat onnistuneesti ja esteettömästi pinnalle, mikä on yhdenmukaista kokeellisten havaintojen kanssa.
Kuva #4
Kuvan päällä 4a Siltojen kollektiivisen muodostumisen mekanismi siksak-kylkiluoille esitetään vaihe vaiheelta.
Alla on mediamateriaalia tästä tutkimuksesta kuvauksella.
Mediamateriaali nro 1
On syytä huomata, että yksittäinen viisikulmio, joka on kiinnitetty siksak-reunaan, ei voi toimia paikallisena ydintymiskeskuksena kasvun edistämiseksi.
Mediamateriaali nro 2
Sen sijaan siksak-reunalle muodostuu alun perin jaksollinen, mutta toisiinsa liittymätön viisikulmioiden verkosto, jonka jälkeen tulevat vesimolekyylit yrittävät yhdessä yhdistää nämä viisikulmiot, jolloin muodostuu 565-tyyppinen ketjurakenne. Valitettavasti tällaista rakennetta ei ole havaittu aikana. käytännön havaintoja, mikä selittää sen erittäin lyhyen käyttöiän.
Mediamateriaali nro 3 ja nro 4
Yhden vesiparin lisääminen yhdistää 565-tyypin rakenteen ja viereisen viisikulmion, jolloin muodostuu 5666-tyyppinen rakenne.
5666-tyyppinen rakenne kasvaa sivusuunnassa muodostaen 56665-tyypin rakenteen ja kehittyy lopulta täysin yhdistetyksi kuusikulmaiseksi hilaksi.
Mediamateriaali nro 5 ja nro 6
Kuvan päällä 4b kasvu näkyy nojatuolin ribissä. Muutos tyypin 575 renkaista tyypin 656 renkaiksi alkaa pohjakerroksesta muodostaen yhdistelmärakenteen 575/656, jota ei voi kokeissa erottaa tyypin 5756 evästä, koska vain kaksikerroksisen jään yläkerros voidaan kuvata. kokeiden aikana.
Mediamateriaali nro 7
Tuloksena olevasta sillasta 656 tulee ytimen muodostumiskeskus 5656 kylkiluiden kasvulle.
Mediamateriaali nro 8
Yhden vesimolekyylin lisääminen 5656:n reunaan johtaa erittäin liikkuvaan parittomaan molekyylirakenteeseen.
Mediamateriaali nro 9
Kaksi näistä parittomista vesimolekyyleistä voi myöhemmin yhdistyä vakaammaksi seitsenkulmaiseksi rakenteeksi, jolloin konversio 5656:sta 5756:ksi saadaan päätökseen.
Jos haluat tutustua tarkemmin tutkimuksen vivahteisiin, suosittelen katsomaan .
Epilogi
Tämän tutkimuksen pääjohtopäätös on, että rakenteiden havaittu käyttäytyminen kasvun aikana voi olla yhteistä kaikille kaksiulotteisen jäätyypeille. Kaksikerroksinen kuusikulmainen jää muodostuu erilaisille hydrofobisille pinnoille ja hydrofobisissa rajoitusolosuhteissa, ja siksi sitä voidaan pitää erillisenä 2D-kiteenä (2D jää I), jonka muodostuminen on epäherkkä alustan alla olevalle rakenteelle.
Tiedemiehet sanovat rehellisesti, että heidän kuvantamistekniikkansa ei vielä sovellu kolmiulotteisen jään kanssa työskentelyyn, mutta kaksiulotteisen jään tutkimuksen tulokset voivat toimia perustana sen tilavuussuhteen muodostumisprosessille. Toisin sanoen kaksiulotteisten rakenteiden muodostumisen ymmärtäminen on tärkeä perusta kolmiulotteisten rakenteiden tutkimiselle. Juuri tätä tarkoitusta varten tutkijat aikovat kehittää metodologiaansa tulevaisuudessa.
Kiitos kun luit, pysy utelias ja mukavaa viikkoa kaverit. 🙂
Muutamia mainoksia 🙂
Kiitos, että pysyt kanssamme. Pidätkö artikkeleistamme? Haluatko nähdä mielenkiintoisempaa sisältöä? Tue meitä tekemällä tilauksen tai suosittelemalla ystäville, , ainutlaatuinen lähtötason palvelimien analogi, jonka me keksimme sinulle: (saatavana RAID1:n ja RAID10:n kanssa, jopa 24 ydintä ja jopa 40 Gt DDR4-muistia).
Dell R730xd 2 kertaa halvempi Equinix Tier IV -palvelinkeskuksessa Amsterdamissa? Vain täällä Alankomaissa! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - alkaen 99 dollaria! Lukea
Lähde: will.com