Tout le monde sait que l’eau se présente dans trois états d’agrégation. Nous mettons la bouilloire en marche et l’eau commence à bouillir et à s’évaporer, passant du liquide au gazeux. Nous le mettons au congélateur et il commence à se transformer en glace, passant ainsi de l'état liquide à l'état solide. Cependant, dans certaines circonstances, la vapeur d'eau présente dans l'air peut passer immédiatement dans la phase solide, contournant ainsi la phase liquide. Nous connaissons ce processus par son résultat : de beaux motifs sur les fenêtres par une journée glaciale d'hiver. Les passionnés de voitures, lorsqu'ils grattent une couche de glace du pare-brise, caractérisent souvent ce processus en utilisant des épithètes peu scientifiques, mais très émotionnelles et vivantes. D’une manière ou d’une autre, les détails de la formation de la glace bidimensionnelle sont restés secrets pendant de nombreuses années. Et récemment, pour la première fois, une équipe internationale de scientifiques a pu visualiser la structure atomique de la glace bidimensionnelle lors de sa formation. Quels secrets se cachent dans ce processus physique apparemment simple, comment les scientifiques ont-ils réussi à les découvrir et en quoi leurs découvertes sont-elles utiles ? Le rapport du groupe de recherche nous en parlera. Aller.
Base de recherche
Si nous exagérons, alors pratiquement tous les objets qui nous entourent sont tridimensionnels. Cependant, si l’on considère certains d’entre eux plus méticuleusement, on peut également en trouver des bidimensionnels. Une croûte de glace qui se forme à la surface d’un objet en est un parfait exemple. L’existence de telles structures n’est pas un secret pour la communauté scientifique, car elles ont été analysées à de nombreuses reprises. Mais le problème est qu’il est assez difficile de visualiser les structures métastables ou intermédiaires impliquées dans la formation de glace 2D. Cela est dû à des problèmes banals : la fragilité et la fragilité des structures étudiées.
Heureusement, les méthodes de numérisation modernes permettent d'analyser les échantillons avec un impact minimal, ce qui permet d'obtenir un maximum de données en peu de temps, pour les raisons ci-dessus. Dans cette étude, les scientifiques ont utilisé la microscopie à force atomique sans contact, la pointe de l’aiguille du microscope étant recouverte de monoxyde de carbone (CO). La combinaison de ces outils de numérisation permet d'obtenir des images en temps réel des structures de bord d'une glace hexagonale bicouche bidimensionnelle cultivée sur une surface d'or (Au).
La microscopie a montré que lors de la formation d'une glace bidimensionnelle, deux types d'arêtes (segments reliant deux sommets d'un polygone) coexistent simultanément dans sa structure : le zigzag (zigzag) et en forme de chaise (fauteuil).
Bords du fauteuil (à gauche) et en zigzag (à droite) en utilisant le graphène comme exemple.
À ce stade, les échantillons ont été rapidement congelés, permettant ainsi d’examiner la structure atomique en détail. Une modélisation a également été réalisée, dont les résultats ont largement coïncidé avec les résultats d'observation.
Il a été constaté que dans le cas de la formation de nervures en zigzag, une molécule d'eau supplémentaire est ajoutée au bord existant et que l'ensemble du processus est régulé par le mécanisme de pontage. Mais dans le cas de la formation des côtes de fauteuil, aucune molécule supplémentaire n'a été détectée, ce qui contraste fortement avec les idées traditionnelles sur la croissance de glace hexagonale à deux couches et de substances hexagonales bidimensionnelles en général.
Pourquoi les scientifiques ont-ils choisi un microscope à force atomique sans contact pour leurs observations plutôt qu'un microscope à effet tunnel (STM) ou un microscope électronique à transmission (TEM) ? Comme nous le savons déjà, le choix est lié à la difficulté d’étudier les structures éphémères et fragiles de la glace bidimensionnelle. Le STM a déjà été utilisé pour étudier les glaces 2D cultivées sur diverses surfaces, mais ce type de microscope n'est pas sensible à la position des noyaux et sa pointe peut provoquer des erreurs d'imagerie. TEM, au contraire, montre parfaitement la structure atomique des nervures. Cependant, l’obtention d’images de haute qualité nécessite des électrons de haute énergie, qui peuvent facilement modifier, voire détruire, la structure des bords des matériaux XNUMXD liés de manière covalente, sans parler des bords plus lâchement liés dans la glace XNUMXD.
Un microscope à force atomique ne présente pas de tels inconvénients et une pointe recouverte de CO permet l'étude de l'eau interfaciale avec une influence minimale sur les molécules d'eau.
Résultats de l'étude
Image #1
De la glace bidimensionnelle s'est développée sur la surface de l'Au(111) à une température d'environ 120 K et son épaisseur était de 2.5 Å (1a).
Images STM de glace (1c) et l'image de transformée de Fourier rapide correspondante (encadré dans 1a) montrent une structure hexagonale bien ordonnée avec une périodicité de Au(111)-√3 x √3-30°. Bien que le réseau cellulaire de glace 2D connecté en H soit visible sur l’image STM, la topologie détaillée des structures de bord est difficile à déterminer. Dans le même temps, l'AFM avec un décalage de fréquence (Δf) de la même zone d'échantillon a donné de meilleures images (1d), qui a permis de visualiser des sections de la structure en forme de chaise et en zigzag. La longueur totale des deux variantes est comparable, mais la longueur moyenne de la nervure précédente est légèrement plus longue (1b). Les côtes en zigzag peuvent atteindre une longueur de 60 Å, mais celles en forme de chaise se couvrent de défauts lors de la formation, ce qui réduit leur longueur maximale à 10-30 Å.
Ensuite, une imagerie AFM systématique a été réalisée à différentes hauteurs d’aiguille (2a).
Image #2
À la hauteur de pointe la plus élevée, lorsque le signal AFM est dominé par une force électrostatique d'ordre supérieur, deux ensembles de sous-réseaux √3 x √3 dans la glace bicouche bidimensionnelle ont été identifiés, dont l'un est illustré dans 2a (à gauche).
À des hauteurs d'aiguille inférieures, les éléments brillants de ce sous-réseau commencent à montrer une directionnalité, et l'autre sous-réseau se transforme en un élément en forme de V (2a, centré).
À la hauteur minimale de l'aiguille, l'AFM révèle une structure en nid d'abeille avec des lignes claires reliant deux sous-réseaux, rappelant les liaisons H (2a, sur la droite).
Les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité montrent que la glace bidimensionnelle développée sur la surface de l'Au(111) correspond à une structure de glace à deux couches imbriquées (2с), constitué de deux couches d’eau plates hexagonales. Les hexagones des deux feuilles sont conjugués et l'angle entre les molécules d'eau dans le plan est de 120°.
Dans chaque couche d’eau, la moitié des molécules d’eau se trouvent horizontalement (parallèlement au substrat) et l’autre moitié se trouve verticalement (perpendiculaire au substrat), un O – H pointant vers le haut ou vers le bas. L’eau située verticalement dans une couche donne une liaison H à l’eau horizontale dans une autre couche, ce qui donne une structure en forme de H entièrement saturée.
Simulation AFM à l'aide d'une pointe quadripôle (dz 2) (2b) basé sur le modèle ci-dessus est en bon accord avec les résultats expérimentaux (2a). Malheureusement, les hauteurs similaires d’eau horizontale et verticale rendent leur identification difficile lors de l’imagerie STM. Cependant, lors de l’utilisation de la microscopie à force atomique, les molécules des deux types d’eau se distinguent clairement (2a и 2b à droite) car la force électrostatique d’ordre supérieur est très sensible à l’orientation des molécules d’eau.
Il a également été possible de déterminer davantage la directionnalité OH de l'eau horizontale et verticale grâce à l'interaction entre les forces électrostatiques d'ordre supérieur et les forces répulsives de Pauli, comme le montrent les lignes rouges dans 2a и 2b (centre).
Image #3
Dans les images 3a и 3b (Étape 1) montre des images AFM agrandies de nageoires en zigzag et en fauteuil, respectivement. Il a été constaté que le bord en zigzag se développe tout en conservant sa structure d'origine, et avec la croissance du bord en forme de chaise, le bord est restauré dans la structure périodique de 5756 anneaux, c'est-à-dire lorsque la structure des côtes répète périodiquement la séquence pentagone - heptagone - pentagone - hexagone.
Les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité montrent que l'aileron en zigzag non reconstruit et l'aileron de chaise 5756 sont les plus stables. L'arête 5756 est formée à la suite d'effets combinés qui minimisent le nombre de liaisons hydrogène insaturées et réduisent l'énergie de déformation.
Les scientifiques rappellent que les plans basaux de la glace hexagonale se terminent généralement par des côtes en zigzag et que les côtes en forme de chaise sont absentes en raison de la densité plus élevée de liaisons hydrogène insaturées. Cependant, dans les petits systèmes ou lorsque l’espace est limité, les ailerons des chaises peuvent réduire leur énergie grâce à une nouvelle conception appropriée.
Comme mentionné précédemment, lorsque la croissance de la glace à 120 K a été arrêtée, l'échantillon a été immédiatement refroidi à 5 K pour tenter de geler les structures métastables ou de transition et garantir une durée de vie relativement longue de l'échantillon pour une étude détaillée à l'aide de STM et AFM. Il a également été possible de reconstituer le processus de croissance de la glace bidimensionnelle (image n°3) grâce à la pointe du microscope fonctionnalisée au CO, qui a permis de détecter des structures métastables et de transition.
Dans le cas des côtes en zigzag, on trouvait parfois des pentagones individuels attachés aux côtes droites. Ils pourraient s'aligner, formant un tableau avec une périodicité de 2 x aice (aice est la constante de réseau de la glace bidimensionnelle). Cette observation peut indiquer que la croissance des bords en zigzag est initiée par la formation d'un réseau périodique de pentagones (3a, étape 1-3), qui consiste à ajouter deux paires d'eau pour le pentagone (flèches rouges).
Ensuite, le réseau de pentagones est connecté pour former une structure comme 56665 (3a, étape 4), puis restaure l'aspect zigzag d'origine en ajoutant davantage de vapeur d'eau.
Avec les bords en forme de chaise, la situation est inverse : il n'y a pas de réseaux de pentagones, mais des espaces courts comme 5656 sur le bord sont assez souvent observés. La longueur de l'aileron 5656 est nettement plus courte que celle du 5756. Cela est peut-être dû au fait que l'aileron 5656 est très sollicité et moins stable que le 5756. À partir de l'aileron de chaise 5756, 575 anneaux sont localement convertis en 656 anneaux en ajoutant deux vapeur d'eau (3b, étape 2). Ensuite, les anneaux 656 grandissent dans le sens transversal, formant une bordure de type 5656 (3b, étape 3), mais avec une longueur limitée en raison de l'accumulation d'énergie de déformation.
Si une paire d'eau est ajoutée à l'hexagone d'une aileron 5656, la déformation peut être partiellement affaiblie, ce qui conduira à nouveau à la formation d'une aileron 5756 (3b, étape 4).
Les résultats ci-dessus sont très indicatifs, mais il a été décidé de les étayer par des données supplémentaires obtenues à partir de calculs de dynamique moléculaire de la vapeur d'eau à la surface de l'Au (111).
Il a été constaté que des îlots de glace à double couche XNUMXD se sont formés avec succès et sans entrave à la surface, ce qui est cohérent avec nos observations expérimentales.
Image #4
Sur l'image 4a Le mécanisme de formation collective des ponts sur les nervures en zigzag est présenté étape par étape.
Vous trouverez ci-dessous des documents médiatiques sur cette étude avec une description.
Matériel médiatique n°1
Il convient de noter qu’un seul pentagone attaché à un bord en zigzag ne peut pas servir de centre de nucléation local pour favoriser la croissance.
Matériel médiatique n°2
Au lieu de cela, un réseau périodique mais non connecté de pentagones se forme initialement sur le bord en zigzag, et les molécules d'eau entrantes ultérieures tentent collectivement de connecter ces pentagones, entraînant la formation d'une structure de chaînes de type 565. Malheureusement, une telle structure n'a pas été observée. lors d'observations pratiques, ce qui explique sa durée de vie extrêmement courte.
Matériel médiatique n°3 et n°4
L'ajout d'une paire d'eau relie la structure de type 565 et le pentagone adjacent, entraînant la formation de la structure de type 5666.
La structure de type 5666 se développe latéralement pour former la structure de type 56665 et se développe finalement en un réseau hexagonal entièrement connecté.
Matériel médiatique n°5 et n°6
Sur l'image 4b la croissance est montrée dans le cas d'une côte de fauteuil. La conversion des anneaux de type 575 en anneaux de type 656 commence à partir de la couche inférieure, formant une structure composite 575/656 qui ne peut pas être distinguée d'une aileron de type 5756 dans les expériences, puisque seule la couche supérieure de la glace à deux couches peut être imagée. pendant les expériences.
Matériel médiatique n°7
Le pont 656 résultant devient le centre de nucléation pour la croissance de la côte 5656.
Matériel médiatique n°8
L'ajout d'une molécule d'eau à un bord 5656 entraîne une structure moléculaire non appariée très mobile.
Matériel médiatique n°9
Deux de ces molécules d’eau non appariées peuvent ensuite se combiner en une structure heptagonale plus stable, complétant ainsi la conversion de 5656 5756 à XNUMX XNUMX.
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je recommande de regarder .
Le final
La principale conclusion de cette étude est que le comportement observé des structures au cours de la croissance peut être commun à tous les types de glace bidimensionnelle. La glace hexagonale bicouche se forme sur diverses surfaces hydrophobes et dans des conditions de confinement hydrophobes, et peut donc être considérée comme un cristal 2D distinct (glace 2D I), dont la formation est insensible à la structure sous-jacente du substrat.
Les scientifiques disent honnêtement que leur technique d'imagerie n'est pas encore adaptée au travail avec de la glace tridimensionnelle, mais les résultats de l'étude de la glace bidimensionnelle peuvent servir de base pour expliquer le processus de formation de son parent volumétrique. En d’autres termes, comprendre comment se forment les structures bidimensionnelles constitue une base importante pour étudier les structures tridimensionnelles. C’est dans ce but que les chercheurs envisagent d’améliorer leur méthodologie à l’avenir.
Merci d'avoir lu, restez curieux et passez une bonne semaine les gars. 🙂
Quelques publicités 🙂
Merci de rester avec nous. Vous aimez nos articles ? Vous voulez voir du contenu plus intéressant ? Soutenez-nous en passant une commande ou en recommandant à vos amis, , un analogue unique des serveurs d'entrée de gamme, que nous avons inventé pour vous : (disponible avec RAID1 et RAID10, jusqu'à 24 cœurs et jusqu'à 40 Go de DDR4).
Dell R730xd 2 fois moins cher dans le centre de données Equinix Tier IV à Amsterdam ? Ici seulement aux Pays-Bas! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - à partir de 99$ ! En savoir plus
Source: habr.com