Todo o mundo sabe que a auga ocorre en tres estados de agregación. Poñemos a chaleira e a auga comeza a ferver e a evaporarse, pasando de líquida a gasosa. Metémolo no conxelador e comeza a converterse en xeo, pasando así de líquido a sólido. Non obstante, en determinadas circunstancias, o vapor de auga presente no aire pode pasar inmediatamente á fase sólida, evitando a fase líquida. Coñecemos este proceso polo seu resultado: fermosos patróns nas fiestras nun día de inverno xeado. Os entusiastas dos coches, ao raspar unha capa de xeo do parabrisas, adoitan caracterizar este proceso utilizando epítetos non moi científicos, pero moi emotivos e vivos. Dun xeito ou doutro, os detalles da formación de xeo bidimensional foron envoltos en segredo durante moitos anos. E recentemente, por primeira vez, un equipo internacional de científicos puido visualizar a estrutura atómica do xeo bidimensional durante a súa formación. Que segredos se agochan neste proceso físico aparentemente sinxelo, como conseguiron os científicos descubrilos e como son útiles os seus descubrimentos? Diso falaranos o informe do grupo de investigación. Vaia.
Base de investigación
Se esaxeramos, practicamente todos os obxectos que nos rodean son tridimensionais. Porén, se consideramos algúns deles máis meticulosamente, tamén podemos atopar outros bidimensionais. Unha codia de xeo que se forma na superficie de algo é un excelente exemplo diso. A existencia de tales estruturas non é un segredo para a comunidade científica, porque foron analizadas moitas veces. Pero o problema é que é bastante difícil visualizar estruturas metaestables ou intermedias implicadas na formación de xeo 2D. Isto débese a problemas banais: a fraxilidade e fraxilidade das estruturas que se estudan.
Afortunadamente, os modernos métodos de dixitalización permiten analizar mostras cun impacto mínimo, o que permite obter o máximo de datos nun curto período de tempo, debido ás razóns anteriores. Neste estudo, os científicos utilizaron microscopía de forza atómica sen contacto, coa punta da agulla do microscopio recuberta de monóxido de carbono (CO). A combinación destas ferramentas de dixitalización permite obter imaxes en tempo real das estruturas dos bordes de xeo hexagonal bidimensional bidimensional que crece sobre unha superficie de ouro (Au).
A microscopía demostrou que durante a formación do xeo bidimensional, coexisten simultáneamente na súa estrutura dous tipos de bordos (segmentos que conectan dous vértices dun polígono): zigzag (zigzag) e en forma de cadeira (sillón).
Cadeira de brazos (esquerda) e bordos en zigzag (dereita) usando grafeno como exemplo.
Nesta fase, as mostras conxeláronse rapidamente, o que permitiu examinar en detalle a estrutura atómica. Tamén se realizou o modelado, cuxos resultados coincidiron en gran medida cos resultados observacionais.
Descubriuse que no caso da formación de costelas en zigzag, engádese unha molécula de auga adicional ao bordo existente e todo o proceso está regulado polo mecanismo de ponte. Pero no caso da formación de costelas de butaca, non se detectaron moléculas adicionais, o que contrasta fortemente coas ideas tradicionais sobre o crecemento do xeo hexagonal de dúas capas e das substancias hexagonais bidimensionais en xeral.
Por que os científicos escolleron un microscopio de forza atómica sen contacto para as súas observacións en lugar dun microscopio de túnel de varrido (STM) ou un microscopio electrónico de transmisión (TEM)? Como xa sabemos, a elección está relacionada coa dificultade de estudar as estruturas de curta duración e fráxiles do xeo bidimensional. O STM utilizouse anteriormente para estudar xeos 2D cultivados en varias superficies, pero este tipo de microscopio non é sensible á posición dos núcleos e a súa punta pode provocar erros de imaxe. TEM, pola contra, mostra perfectamente a estrutura atómica das costelas. Non obstante, a obtención de imaxes de alta calidade require electróns de alta enerxía, que poden cambiar ou mesmo destruír facilmente a estrutura dos bordos dos materiais XNUMXD unidos covalentemente, sen esquecer os bordos máis ligados do xeo XNUMXD.
Un microscopio de forza atómica non ten tales inconvenientes, e unha punta recuberta de CO permite o estudo da auga interfacial cunha influencia mínima sobre as moléculas de auga.
Resultados da investigación
Imaxe #1
O xeo bidimensional creceu na superficie de Au(111) a unha temperatura duns 120 K, e o seu espesor era de 2.5 Å (1).
Imaxes STM de xeo (1c) e a correspondente imaxe da transformada rápida de Fourier (insertado en 1) mostran unha estrutura hexagonal ben ordenada cunha periodicidade de Au(111)-√3 x √3-30°. Aínda que a rede celular conectada en H de xeo 2D é visible na imaxe STM, a topoloxía detallada das estruturas de bordo é difícil de determinar. Ao mesmo tempo, AFM cun desprazamento de frecuencia (Δf) da mesma área mostral deu mellores imaxes (1d), que permitiu visualizar seccións da estrutura en forma de cadeira e en zigzag. A lonxitude total de ambas as variantes é comparable, pero a lonxitude media da costela anterior é lixeiramente máis longa (1b). As costelas en zigzag poden medrar ata 60 Å de lonxitude, pero as en forma de cadeira cóbrense de defectos durante a formación, o que reduce a súa lonxitude máxima a 10-30 Å.
A continuación, realizáronse imaxes AFM sistemáticas a diferentes alturas de agulla (2).
Imaxe #2
Á altura de punta máis alta, cando o sinal AFM está dominado por forza electrostática de orde superior, identificáronse dous conxuntos de subredes √3 x √3 en xeo bidimensional, un dos cales móstrase en 2 (esquerda).
A alturas de agullas máis baixas, os elementos brillantes desta subbarra comezan a mostrar direccionalidade e a outra subbarra transfórmase nun elemento en forma de V (2a, centrado).
Á altura mínima da agulla, AFM revela unha estrutura de panal con liñas claras que conectan dúas subredes, que lembran os enlaces H (2a, á dereita).
Os cálculos da teoría funcional da densidade mostran que o xeo bidimensional que crece na superficie de Au(111) corresponde a unha estrutura de xeo de dúas capas entrelazadas (2s), formado por dúas capas planas de auga hexagonal. Os hexágonos das dúas follas están conxugados e o ángulo entre as moléculas de auga no plano é de 120°.
En cada capa de auga, a metade das moléculas de auga atópanse horizontalmente (paralelas ao substrato) e a outra metade verticalmente (perpendicular ao substrato), cunha O–H apuntando cara arriba ou abaixo. A auga situada verticalmente nunha capa doa un enlace H á auga horizontal noutra capa, o que resulta nunha estrutura en forma de H totalmente saturada.
Simulación AFM usando punta cuadrupolo (dz 2) (2b) con base no modelo anterior está de acordo cos resultados experimentais (2a). Desafortunadamente, as alturas similares de auga horizontal e vertical dificultan a súa identificación durante as imaxes STM. Non obstante, cando se utiliza a microscopía de forza atómica, as moléculas de ambos os tipos de auga son claramente distinguibles (2a и 2b dereita) porque a forza electrostática de orde superior é moi sensible á orientación das moléculas de auga.
Tamén foi posible determinar aínda máis a direccionalidade OH da auga horizontal e vertical mediante a interacción entre as forzas electrostáticas de orde superior e as forzas repulsivas de Pauli, como mostran as liñas vermellas en 2 и 2b (centro).
Imaxe #3
Nas imaxes 3 и 3b (Fase 1) mostra imaxes AFM ampliadas de aletas en zigzag e cadeira de brazos, respectivamente. Descubriuse que o bordo en zigzag medra mantendo a súa estrutura orixinal, e co crecemento do bordo en forma de cadeira, o bordo restablece na estrutura periódica de 5756 aneis, é dicir. cando a estrutura das costelas repite periodicamente a secuencia pentágono - heptágono - pentágono - hexágono.
Os cálculos da teoría funcional da densidade mostran que a aleta en zigzag non reconstruída e a aleta da cadeira 5756 son as máis estables. O bordo 5756 fórmase como resultado de efectos combinados que minimizan o número de enlaces de hidróxeno insaturados e reducen a enerxía de tensión.
Os científicos lembran que os planos basais do xeo hexagonal adoitan terminar en nervaduras en zigzag, e as nervaduras en forma de cadeira están ausentes debido á maior densidade de enlaces de hidróxeno insaturados. Non obstante, en sistemas pequenos ou onde o espazo é limitado, as aletas das cadeiras poden reducir a súa enerxía a través do redeseño axeitado.
Como se mencionou anteriormente, cando se detivo o crecemento do xeo a 120 K, a mostra arrefriouse inmediatamente a 5 K para tentar conxelar estruturas metaestables ou de borde de transición e garantir unha vida útil relativamente longa da mostra para o estudo detallado mediante STM e AFM. Tamén foi posible reconstruír o proceso de crecemento do xeo bidimensional (imaxe no 3) grazas á punta do microscopio funcionalizado con CO, que permitiu detectar estruturas metaestables e de transición.
No caso das costelas en zigzag, ás veces atopáronse pentágonos individuais unidos ás costelas rectas. Poderían aliñarse nunha fila, formando unha matriz cunha periodicidade de 2 x ace (ace é a constante reticular do xeo bidimensional). Esta observación pode indicar que o crecemento dos bordos en zigzag é iniciado pola formación dunha matriz periódica de pentágonos (3, paso 1-3), que implica engadir dous pares de auga para o pentágono (frechas vermellas).
A continuación, a matriz de pentágonos conéctase para formar unha estrutura como 56665 (3, etapa 4) e despois restaura a aparencia orixinal en zigzag engadindo máis vapor de auga.
Cos bordos en forma de cadeira a situación é a contraria: non hai matrices de pentágonos, pero en cambio obsérvanse con bastante frecuencia brechas curtas como 5656 no bordo. A lonxitude da aleta 5656 é significativamente máis curta que a do 5756. Isto posiblemente débese a que a aleta 5656 está moi tensa e menos estable que a 5756. Comezando coa aleta da cadeira 5756, 575 aneis convértense localmente en 656 aneis engadindo dous. vapor de auga (3b, Fase 2). A continuación, os aneis 656 crecen na dirección transversal, formando un bordo do tipo 5656 (3b, etapa 3), pero cunha lonxitude limitada debido á acumulación de enerxía de deformación.
Se se engade un par de auga ao hexágono dunha aleta 5656, a deformación pódese debilitar parcialmente, e isto levará de novo á formación dunha aleta 5756 (3b, Fase 4).
Os resultados anteriores son moi indicativos, pero decidiuse apoialos con datos adicionais obtidos dos cálculos de dinámica molecular do vapor de auga na superficie de Au (111).
Descubriuse que as illas de xeo XNUMXD de dobre capa formáronse con éxito e sen obstáculos na superficie, o que é consistente coas nosas observacións experimentais.
Imaxe #4
Na imaxe 4 O mecanismo de formación colectiva de pontes sobre costelas en zigzag móstrase paso a paso.
A continuación móstranse materiais multimedia sobre este estudo cunha descrición.
Material multimedia no 1
Paga a pena sinalar que un só pentágono unido a un bordo en zigzag non pode actuar como centro de nucleación local para promover o crecemento.
Material multimedia no 2
Pola contra, fórmase inicialmente unha rede periódica pero inconexa de pentágonos no bordo do zigzag, e as moléculas de auga que entran posteriormente tentan conectar colectivamente estes pentágonos, o que resulta na formación dunha estrutura de cadea tipo 565. Desafortunadamente, tal estrutura non se observou durante observacións prácticas, o que explica a súa vida útil extremadamente curta.
Material multimedia no 3 e no 4
A adición dun par de auga conecta a estrutura do tipo 565 e o pentágono adxacente, dando como resultado a formación da estrutura do tipo 5666.
A estrutura do tipo 5666 crece lateralmente para formar a estrutura do tipo 56665 e, finalmente, desenvólvese nunha rede hexagonal totalmente conectada.
Material multimedia no 5 e no 6
Na imaxe 4b o crecemento móstrase no caso dunha costela de cadeira de brazos. A conversión de aneis tipo 575 a aneis tipo 656 comeza desde a capa inferior, formando unha estrutura composta 575/656 que non se pode distinguir dunha aleta tipo 5756 nos experimentos, xa que só se pode capturar a capa superior do xeo de dúas capas. durante os experimentos.
Material multimedia no 7
A ponte 656 resultante convértese no centro de nucleación para o crecemento da costela 5656.
Material multimedia no 8
Engadir unha molécula de auga a un bordo 5656 dá como resultado unha estrutura de moléculas sen aparellar moi móbil.
Material multimedia no 9
Dúas destas moléculas de auga non apareadas poden combinarse posteriormente nunha estrutura heptagonal máis estable, completando a conversión de 5656 a 5756.
Para un coñecemento máis detallado dos matices do estudo, recoméndolle ollar .
Epílogo
A principal conclusión deste estudo é que o comportamento observado das estruturas durante o crecemento pode ser común a todos os tipos de xeo bidimensional. O xeo hexagonal bicapa fórmase en varias superficies hidrófobas e en condicións de confinamento hidrófobo e, polo tanto, pódese considerar como un cristal 2D separado (xeo 2D I), cuxa formación é insensible á estrutura subxacente do substrato.
Os científicos din honestamente que a súa técnica de imaxe aínda non é adecuada para traballar con xeo tridimensional, pero os resultados do estudo do xeo bidimensional poden servir de base para explicar o proceso de formación do seu relativo volumétrico. Noutras palabras, comprender como se forman as estruturas bidimensionais é unha base importante para estudar as tridimensionais. É para iso que os investigadores planean mellorar o seu método no futuro.
Grazas por ler, teñades curiosidade e teñades unha boa semana rapaces. 🙂
Algúns anuncios 🙂
Grazas por estar connosco. Gústanche os nosos artigos? Queres ver máis contido interesante? Apóyanos facendo un pedido ou recomendando a amigos, , un análogo único de servidores de nivel de entrada, que inventamos nós para ti: (dispoñible con RAID1 e RAID10, ata 24 núcleos e ata 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 veces máis barato no centro de datos Equinix Tier IV en Amsterdam? Só aquí nos Países Baixos! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - desde $ 99! Ler sobre
Fonte: www.habr.com