Elkenien wit dat wetter foarkomt yn trije steaten fan aggregaasje. Wy sette de tsjettel op, en it wetter begjint te siedjen en te ferdampen, fan floeiber nei gasfoarmich. Wy sette it yn 'e friezer, en it begjint te draaien yn iis, dêrmei ferpleatse fan floeibere nei in fêste steat. Under beskate omstannichheden kin wetterdamp oanwêzich yn 'e loft lykwols fuortendaliks oergean yn' e fêste faze, om de floeibere faze te omgean. Wy kenne dit proses troch it resultaat - prachtige patroanen op 'e ruten op in froastige winterdei. Auto-entûsjasters, by it skradzjen fan in laach iis út 'e foarrút, karakterisearje dit proses faaks mei net heul wittenskiplike, mar heul emosjonele en libbene epithets. Op ien of oare manier binne de details fan 'e foarming fan twadiminsjonaal iis in protte jierren yn it geheim bedutsen. En koartlyn, foar it earst, koe in ynternasjonaal team fan wittenskippers de atomêre struktuer fan twadiminsjonaal iis by syn formaasje visualisearje. Hokker geheimen binne ferburgen yn dit skynber ienfâldige fysike proses, hoe slagge it wittenskippers om se te ûntdekken, en hoe binne har befiningen nuttich? It rapport fan de ûndersyksgroep sil ús dêroer fertelle. Gean.
Undersyk basis
As wy oerdriuwe, dan binne frijwol alle objekten om ús hinne trijediminsjonaal. As wy lykwols guon fan har mear sekuer beskôgje, kinne wy ek twadiminsjonale fine. In koarste fan iis dy't op it oerflak fan eat ûntstiet is dêr in prima foarbyld fan. It bestean fan sokke struktueren is gjin geheim foar de wittenskiplike mienskip, om't se in protte kearen analysearre binne. Mar it probleem is dat it frij lestich is om metastabiele of tuskenlizzende struktueren te visualisearjen belutsen by de foarming fan 2D-iis. Dit komt troch banale problemen - de kwetsberens en kwetsberens fan de ûndersochte struktueren.
Gelokkich kinne moderne skennenmetoaden samples analysearje mei minimale ynfloed, wêrtroch maksimale gegevens yn in koarte perioade kinne wurde krigen, fanwege de boppesteande redenen. Yn dizze stúdzje brûkten de wittenskippers net-kontakt atomêre krêftmikroskopie, mei de tip fan 'e mikroskoopnaald bedekt mei koalmonokside (CO). De kombinaasje fan dizze skennen ark makket it mooglik om te krijen real-time bylden fan de râne struktueren fan twadiminsjonale bilayer hexagonal iis groeid op in gouden (Au) oerflak.
Mikroskopy hat oantoand dat by de foarming fan twadiminsjonaal iis, twa soarten rânen (segminten dy't twa hoekpunten fan in polygoon ferbine) tagelyk besteane yn syn struktuer: zigzag (zigzag) en stoelfoarmich (leunstoel).
Leunstoel (lofts) en zigzag (rjochts) rânen mei grafene as foarbyld.
Op dit stadium waarden de samples fluch beferzen, wêrtroch't de atoomstruktuer yn detail ûndersocht wurde koe. Ek waard modeling útfierd, wêrfan de resultaten foar in grut part oerienkommen binne mei de observaasjeresultaten.
It waard fûn dat yn 't gefal fan' e formaasje fan zigzag-ribben in ekstra wettermolekule wurdt tafoege oan 'e besteande râne, en it hiele proses wurdt regele troch it brêgemeganisme. Mar yn 't gefal fan' e foarming fan leunstoelribben waarden gjin ekstra molekulen ûntdutsen, wat sterk kontrastearret mei tradisjonele ideeën oer de groei fan twa-laach hexagonal iis en twadiminsjonale hexagonale stoffen yn 't algemien.
Wêrom kieze wittenskippers in net-kontakt atoomkrêftmikroskoop foar har observaasjes yn stee fan in skennende tunnelingmikroskoop (STM) of transmissieelektronenmikroskoop (TEM)? Sa't wy al witte, is de kar yn ferbân mei de muoite fan it bestudearjen fan de koarte-libben en fragile struktueren fan twadiminsjonale iis. STM is earder brûkt om 2D-iis te studearjen dy't groeid op ferskate oerflakken, mar dit soarte fan mikroskoop is net gefoelich foar de posysje fan kearnen, en syn tip kin feroarsaakje imaging flaters. TEM, krekt oarsom, toant perfekt de atomêre struktuer fan 'e ribben. Lykwols, it krijen fan hege-kwaliteit bylden fereasket hege-enerzjy elektroanen, dat kin maklik feroarje of sels ferneatigje de râne struktuer fan covalently bonded XNUMXD materialen, net te hawwen oer de mear los bondele rânen yn XNUMXD iis.
In atoomkrêftmikroskoop hat gjin sokke neidielen, en in CO-coated tip lit de stúdzje fan ynterfasiale wetter mei minimale ynfloed op wettermolekulen mooglik meitsje.
Undersyksresultaten
Ofbylding #1
Twadimensjonaal iis waard groeid op it Au(111) oerflak by in temperatuer fan sawat 120 K, en syn dikte wie 2.5 Å (1).
STM-ôfbyldings fan iis (1c) en de oerienkommende rappe Fourier-transformôfbylding (ynfoege yn 1) lit in goed oardere hexagonale struktuer sjen mei in periodisiteit fan Au(111)-√3 x √3-30°. Hoewol it sellulêre H-ferbûne netwurk fan 2D-iis sichtber is yn 'e STM-ôfbylding, is de detaillearre topology fan' e rânestruktueren dreech te bepalen. Tagelyk joech AFM mei in frekwinsjeferskowing (Δf) fan itselde stekproefgebiet bettere bylden (1d), wat it mooglik makke om stoelfoarmige en zigzag-seksjes fan 'e struktuer te visualisearjen. De totale lingte fan beide farianten is te fergelykjen, mar de gemiddelde lingte fan 'e foargonger rib is wat langer (1b). Zigzag-ribben kinne groeie oant 60 Å yn 'e lingte, mar stoelfoarmige wurde ûnder de formaasje bedutsen mei defekten, wat har maksimale lingte ferleget nei 10-30 Å.
Dêrnei waard systematyske AFM-ôfbylding útfierd op ferskate needhichte (2).
Ofbylding #2
Op 'e heechste tiphichte, as it AFM-sinjaal wurdt dominearre troch elektrostatyske krêft fan hegere folchoarder, waarden twa sets fan √3 x √3 sublattices yn twadiminsjonaal bilayer iis identifisearre, wêrfan ien wurdt werjûn yn 2 (links).
Op legere naaldhichte begjinne de ljochte eleminten fan dizze subarray rjochting te sjen, en de oare subarray feroaret yn in V-foarmich elemint (2a, midden).
Op minimale needhichte ûntbleatet AFM in huningraatstruktuer mei dúdlike linen dy't twa sublattices ferbine, dy't tinken docht oan H-bindingen (2a, rjochts).
Berekkeningen fan funksjonele teory fan tichtens litte sjen dat twadiminsjonaal iis groeid op it Au(111) oerflak komt oerien mei in yninoar sletten twa-laach iisstruktuer (2s), besteande út twa platte hexagonale lagen fan wetter. De hexagons fan 'e twa blêden binne konjugearre, en de hoeke tusken de wettermolekulen yn it fleantúch is 120 °.
Yn elke laach wetter lizze de helte fan de wettermolekulen horizontaal (parallel oan it substraat) en de oare helte lizze fertikaal (loodrjocht op it substraat), mei ien O–H nei boppen of nei ûnderen. Fertikaal lizzend wetter yn ien laach jout in H-bân oan horizontaal wetter yn in oare laach, wat resulteart yn in folslein verzadigde H-foarmige struktuer.
AFM-simulaasje mei in quadrupole (dz 2) tip (2b) basearre op it boppesteande model is yn goede oerienstimming mei eksperimintele resultaten (2a). Spitigernôch meitsje de ferlykbere hichten fan horizontaal en fertikaal wetter har identifikaasje lestich by STM-ôfbylding. By it brûken fan atoomkrêftmikroskopie binne de molekulen fan beide soarten wetter lykwols dúdlik te ûnderskieden (2a и 2b rjochts) omdat de hegere oarder elektrostatyske krêft is tige gefoelich foar de oriïntaasje fan wetter molekulen.
It wie ek mooglik om de OH-rjochting fan horizontaal en fertikaal wetter fierder te bepalen troch de ynteraksje tusken elektrostatyske krêften fan hegere oarder en Pauli-ôfstotende krêften, lykas oanjûn troch de reade linen yn 2 и 2b (sintrum).
Ofbylding #3
Yn de bylden 3 и 3b (Stage 1) toant fergrutte AFM bylden fan respektivelik zigzag en armchair finnen. It waard fûn dat de zigzag râne groeit mei behâld fan syn oarspronklike struktuer, en mei de groei fan de stoel-foarmige râne, de râne wurdt restaurearre yn de periodike struktuer fan 5756 ringen, i.e. as de struktuer fan 'e ribben periodyk werhellet de folchoarder pentagon - heptagon - pentagon - hexagon.
Berekkeningen fan funksjonele teory fan tichtens litte sjen dat de net-rekonstruearre zigzagfin en de 5756 stoelfin de meast stabile binne. De 5756-râne wurdt foarme as gefolch fan kombineare effekten dy't it oantal ûnfersaadige wetterstofbânnen minimalisearje en strain-enerzjy ferminderje.
Wittenskippers betinke dat de basale fleantugen fan hexagonal iis meastentiids einigje yn zigzag-ribben, en stoelfoarmige ribben binne ôfwêzich fanwegen de hegere tichtens fan ûnfersêde wetterstofbânen. Yn lytse systemen of wêr't romte beheind is, kinne stoelfinnen har enerzjy lykwols ferminderje troch goed opnij ûntwerp.
Lykas earder neamd, doe't iisgroei op 120 K waard stoppe, waard de stekproef fuortendaliks ôfkuolle oant 5 K om te besykjen om metastabiele of oergongsrânstruktueren te befriezen en in relatyf lange stekproeflibben te garandearjen foar detaillearre stúdzje mei STM en AFM. It wie ek mooglik om it groeiproses fan twadiminsjonaal iis (ôfbylding nr. 3) te rekonstruearjen troch de CO-funksjonalisearre mikroskooppunt, dy't it mooglik makke om metastabiele en oergongsstruktueren op te spoaren.
Yn it gefal fan sigzag-ribben waarden soms yndividuele fiifhoeken fûn oan 'e rjochte ribben. Se koenen op in rige rigelje, in array foarmje mei in periodisiteit fan 2 x aice (aice is de roosterkonstante fan twadiminsjonaal iis). Dizze observaasje kin oanjaan dat de groei fan zigzag-rânen wurdt inisjeare troch de foarming fan in periodike array fan pentagons (3, stap 1-3), wêrby't it tafoegjen fan twa wetterpearen foar it fiifhoeke (reade pylken) giet.
Dêrnei is de array fan pentagons ferbûn om in struktuer te foarmjen lykas 56665 (3, etappe 4), en dan herstelt de oarspronklike zigzag uterlik troch it tafoegjen fan mear wetterdamp.
Mei stoelfoarmige rânen is de situaasje it tsjinoerstelde - d'r binne gjin arrays fan fiifhoeken, mar ynstee wurde koarte gatten lykas 5656 op 'e râne faak waarnommen. De lingte fan de 5656 fin is oanmerklik koarter as dy fan de 5756. Dit komt mooglik omdat de 5656 fin is tige beklamme en minder stabyl as de 5756. Begjinnend mei de 5756 stoel fin, 575 ringen wurde lokaal omboud ta 656 ringen troch it tafoegjen fan twa wetterdamp (3b, faze 2). Dêrnei groeie de 656 ringen yn 'e transversale rjochting, en foarmje in râne fan it type 5656 (3b, etappe 3), mar mei in beheinde lingte fanwege de accumulation fan deformaasje enerzjy.
As ien wetterpear tafoege wurdt oan de hexagon fan in 5656-fin, kin de ferfoarming foar in part ferswakke wurde, en dit sil wer liede ta de foarming fan in 5756-fin (3b, faze 4).
De boppesteande resultaten binne tige yndikatyf, mar it waard besletten om se te stypjen mei ekstra gegevens krigen fan molekulêre dynamykberekkeningen fan wetterdamp op it Au (111) oerflak.
It waard fûn dat XNUMXD dûbele laach iis eilannen mei súkses en ûnhindere foarme op it oerflak, dat is yn oerienstimming mei ús eksperimintele observaasjes.
Ofbylding #4
Op it byld 4 It meganisme fan kollektive formaasje fan brêgen op zigzag ribben wurdt stap foar stap toand.
Hjirûnder steane mediamateriaal oer dizze stúdzje mei in beskriuwing.
Mediamateriaal nûmer 1
It is de muoite wurdich op te merken dat in inkele fiifhoeke ferbûn oan in zigzag râne kin net fungearje as in pleatslik nucleation sintrum te befoarderjen groei.
Mediamateriaal nûmer 2
Ynstee dêrfan ûntstiet yn earste ynstânsje in periodyk, mar net ferbûn netwurk fan fiifhoeken op 'e sigzag-râne, en dêropfolgjende ynkommende wettermolekulen besykje kollektyf dizze pentagons te ferbinen, wat resulteart yn 'e foarming fan in kettingstruktuer fan it type 565. Spitigernôch is sa'n struktuer net waarnommen tidens praktyske waarnimmings, dy't ferklearret syn ekstreem koarte libbensdoer.
Mediamateriaal nr. 3 en nr. 4
De tafoeging fan ien wetterpaar ferbynt de struktuer fan it 565-type en it neistlizzende fiifhoeke, wat resulteart yn de foarming fan de struktuer fan it 5666-type.
De struktuer fan it 5666-type groeit letterlik om de struktuer fan it 56665-type te foarmjen en ûntwikkelet him úteinlik ta in folslein ferbûn hexagonaal rooster.
Mediamateriaal nr. 5 en nr. 6
Op it byld 4b groei wurdt werjûn yn it gefal fan in leunstoel rib. De konverzje fan ringen fan type 575 nei ringen fan type 656 begjint by de ûnderste laach, en foarmje in gearstalde 575/656-struktuer dy't yn de eksperiminten net te ûnderskieden is fan in vin fan type 5756, om't allinnich de boppelaach fan it twalaachich iis ôfbylde wurde kin. tidens de eksperiminten.
Mediamateriaal nûmer 7
De resultearjende brêge 656 wurdt it nukleaasjesintrum foar de groei fan de 5656-rib.
Mediamateriaal nûmer 8
It tafoegjen fan ien wettermolekule oan in 5656-râne resultearret yn in tige mobile unpaarde molekulestruktuer.
Mediamateriaal nûmer 9
Twa fan dizze unpaarde wettermolekulen kinne dêrnei kombinearje yn in stabiler heptagonale struktuer, en foltôgje de konverzje fan 5656 nei 5756.
Foar in mear detaillearre kunde mei de nuânses fan 'e stúdzje, advisearje ik om te sjen .
Epilogue
De wichtichste konklúzje fan dizze stúdzje is dat it waarnommen gedrach fan struktueren by groei mienskiplik wêze kin foar alle soarten twadiminsjonaal iis. Bilaach hexagonal iis foarmen op ferskate hydrofobe oerflakken en ûnder hydrofobe opsluting omstannichheden, en kin dêrom beskôge wurde as in apart 2D kristal (2D iis I), de formaasje fan dat is ûngefoelich foar de ûnderlizzende struktuer fan it substraat.
Wittenskippers sizze earlik dat har ôfbyldingstechnyk noch net geskikt is foar it wurkjen mei trijediminsjonaal iis, mar de resultaten fan it bestudearjen fan twadiminsjonaal iis kinne as basis tsjinje foar it ferklearjen fan it formaasjeproses fan har volumetryske relative. Mei oare wurden, it begripen fan hoe't twadiminsjonale struktueren foarmje is in wichtige basis foar it bestudearjen fan trijediminsjonale. It is foar dit doel dat de ûndersikers plannen om har metodyk yn 'e takomst te ferbetterjen.
Betanke foar it lêzen, bliuw nijsgjirrich en hawwe in geweldige wike jonges. 🙂
Guon advertinsjes 🙂
Tankewol foar it bliuwen by ús. Hâld jo fan ús artikels? Wolle jo mear ynteressante ynhâld sjen? Stypje ús troch in bestelling te pleatsen of oan te befeljen oan freonen, , in unike analoog fan servers op yngongsnivo, dy't troch ús foar jo útfûn is: (beskikber mei RAID1 en RAID10, oant 24 kearnen en oant 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kear goedkeaper yn Equinix Tier IV data sintrum yn Amsterdam? Allinne hjir yn Nederlân! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fan $99! Lêze oer
Boarne: www.habr.com