खिड़की पर पैटर्न या मोटर चालकों का संकट: द्वि-आयामी बर्फ कैसे बढ़ती है

हर कोई जानता है कि जल एकत्रीकरण की तीन अवस्थाओं में होता है। हम केतली लगाते हैं, और पानी उबलना और वाष्पित होना शुरू हो जाता है, तरल से गैसीय में बदल जाता है। हम इसे फ्रीजर में रखते हैं, और यह बर्फ में बदलना शुरू कर देता है, जिससे तरल से ठोस अवस्था में चला जाता है। हालाँकि, कुछ परिस्थितियों में, हवा में मौजूद जल वाष्प तरल चरण को दरकिनार करते हुए तुरंत ठोस चरण में प्रवेश कर सकता है। हम इस प्रक्रिया को इसके परिणाम से जानते हैं - ठंढे सर्दियों के दिन खिड़कियों पर सुंदर पैटर्न। कार उत्साही, जब विंडशील्ड से बर्फ की एक परत को खुरचते हैं, तो अक्सर बहुत वैज्ञानिक नहीं, बल्कि बहुत भावनात्मक और ज्वलंत विशेषणों का उपयोग करके इस प्रक्रिया को चित्रित करते हैं। किसी न किसी तरह, द्वि-आयामी बर्फ के निर्माण का विवरण कई वर्षों तक रहस्य में छिपा रहा। और हाल ही में, पहली बार, वैज्ञानिकों की एक अंतरराष्ट्रीय टीम इसके निर्माण के दौरान द्वि-आयामी बर्फ की परमाणु संरचना की कल्पना करने में सक्षम थी। इस साधारण सी दिखने वाली भौतिक प्रक्रिया में कौन से रहस्य छिपे हैं, वैज्ञानिकों ने उन्हें कैसे उजागर किया और उनके निष्कर्ष कैसे उपयोगी हैं? रिसर्च ग्रुप की रिपोर्ट हमें इस बारे में बताएगी. जाना।

अनुसंधान आधार

यदि हम अतिशयोक्ति करें, तो वस्तुतः हमारे आस-पास की सभी वस्तुएँ त्रि-आयामी हैं। हालाँकि, यदि हम उनमें से कुछ पर अधिक सूक्ष्मता से विचार करें, तो हम द्वि-आयामी भी पा सकते हैं। किसी चीज़ की सतह पर बनने वाली बर्फ की परत इसका एक प्रमुख उदाहरण है। ऐसी संरचनाओं का अस्तित्व वैज्ञानिक समुदाय के लिए कोई रहस्य नहीं है, क्योंकि इनका कई बार विश्लेषण किया जा चुका है। लेकिन समस्या यह है कि 2डी बर्फ के निर्माण में शामिल मेटास्टेबल या मध्यवर्ती संरचनाओं की कल्पना करना काफी कठिन है। यह सामान्य समस्याओं के कारण है - अध्ययन की जा रही संरचनाओं की नाजुकता और नाजुकता।

सौभाग्य से, आधुनिक स्कैनिंग विधियां न्यूनतम प्रभाव के साथ नमूनों का विश्लेषण करने की अनुमति देती हैं, जो उपरोक्त कारणों से, कम समय में अधिकतम डेटा प्राप्त करने की अनुमति देती है। इस अध्ययन में, वैज्ञानिकों ने गैर-संपर्क परमाणु बल माइक्रोस्कोपी का उपयोग किया, जिसमें माइक्रोस्कोप सुई की नोक को कार्बन मोनोऑक्साइड (सीओ) के साथ लेपित किया गया। इन स्कैनिंग उपकरणों का संयोजन सोने (एयू) सतह पर उगाए गए दो-आयामी बाईलेयर हेक्सागोनल बर्फ के किनारे संरचनाओं की वास्तविक समय की छवियां प्राप्त करना संभव बनाता है।

माइक्रोस्कोपी से पता चला है कि द्वि-आयामी बर्फ के निर्माण के दौरान, दो प्रकार के किनारे (बहुभुज के दो शीर्षों को जोड़ने वाले खंड) एक साथ इसकी संरचना में मौजूद होते हैं: ज़िगज़ैग (वक्र) और कुर्सी के आकार का (बंहदार कुरसी).

उदाहरण के तौर पर ग्राफीन का उपयोग करते हुए आर्मचेयर (बाएं) और ज़िगज़ैग (दाएं) किनारे।

इस स्तर पर, नमूने जल्दी से जमे हुए थे, जिससे परमाणु संरचना की विस्तार से जांच की जा सकी। मॉडलिंग भी की गई, जिसके परिणाम काफी हद तक अवलोकन परिणामों से मेल खाते थे।

यह पाया गया कि ज़िगज़ैग पसलियों के निर्माण के मामले में, मौजूदा किनारे पर एक अतिरिक्त पानी का अणु जोड़ा जाता है, और पूरी प्रक्रिया ब्रिजिंग तंत्र द्वारा नियंत्रित होती है। लेकिन आर्मचेयर पसलियों के निर्माण के मामले में, कोई अतिरिक्त अणु नहीं पाया गया, जो सामान्य रूप से दो-परत हेक्सागोनल बर्फ और दो-आयामी हेक्सागोनल पदार्थों के विकास के बारे में पारंपरिक विचारों के विपरीत है।

वैज्ञानिकों ने अपने अवलोकन के लिए स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप (एसटीएम) या ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (टीईएम) के बजाय गैर-संपर्क परमाणु बल माइक्रोस्कोप को क्यों चुना? जैसा कि हम पहले से ही जानते हैं, यह विकल्प द्वि-आयामी बर्फ की अल्पकालिक और नाजुक संरचनाओं का अध्ययन करने की कठिनाई से संबंधित है। एसटीएम का उपयोग पहले विभिन्न सतहों पर उगी 2डी बर्फ का अध्ययन करने के लिए किया गया है, लेकिन इस प्रकार का माइक्रोस्कोप नाभिक की स्थिति के प्रति संवेदनशील नहीं है, और इसकी नोक इमेजिंग त्रुटियों का कारण बन सकती है। इसके विपरीत, टीईएम पसलियों की परमाणु संरचना को पूरी तरह से दिखाता है। हालाँकि, उच्च-गुणवत्ता वाली छवियां प्राप्त करने के लिए उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों की आवश्यकता होती है, जो आसानी से सहसंयोजक रूप से बंधे XNUMXडी सामग्रियों के किनारे की संरचना को बदल या नष्ट कर सकते हैं, XNUMXडी बर्फ में अधिक ढीले बंधे किनारों का उल्लेख नहीं किया जा सकता है।

एक परमाणु बल माइक्रोस्कोप में ऐसे नुकसान नहीं होते हैं, और एक सीओ-लेपित टिप पानी के अणुओं पर न्यूनतम प्रभाव के साथ इंटरफेशियल पानी के अध्ययन की अनुमति देता है।

अध्ययन के परिणाम

छवि #1

Au(111) सतह पर लगभग 120 K के तापमान पर द्वि-आयामी बर्फ उगाई गई थी, और इसकी मोटाई 2.5 Å थी (1а).

बर्फ की एसटीएम छवियां (1c) और संबंधित तेज़ फूरियर रूपांतरण छवि (इनसेट में 1а) Au(111)-√3 x √3-30° की आवधिकता के साथ एक सुव्यवस्थित षट्कोणीय संरचना दिखाएं। यद्यपि 2डी बर्फ का सेलुलर एच-कनेक्टेड नेटवर्क एसटीएम छवि में दिखाई देता है, लेकिन किनारे की संरचनाओं की विस्तृत टोपोलॉजी निर्धारित करना मुश्किल है। उसी समय, समान नमूना क्षेत्र की आवृत्ति बदलाव (Δf) के साथ एएफएम ने बेहतर छवियां दीं (1d), जिससे संरचना के कुर्सी के आकार और ज़िगज़ैग खंडों की कल्पना करना संभव हो गया। दोनों वेरिएंट की कुल लंबाई तुलनीय है, लेकिन पूर्ववर्ती पसली की औसत लंबाई थोड़ी लंबी है (1b). ज़िगज़ैग पसलियाँ लंबाई में 60 Å तक बढ़ सकती हैं, लेकिन कुर्सी के आकार की पसलियाँ निर्माण के दौरान दोषों से ढक जाती हैं, जिससे उनकी अधिकतम लंबाई 10-30 Å तक कम हो जाती है।

इसके बाद, अलग-अलग सुई की ऊंचाई पर व्यवस्थित एएफएम इमेजिंग की गई (2а).

छवि #2

उच्चतम टिप ऊंचाई पर, जब एएफएम सिग्नल उच्च क्रम के इलेक्ट्रोस्टैटिक बल पर हावी होता है, तो दो-आयामी बाइलेयर बर्फ में √3 x √3 उप-जाल के दो सेटों की पहचान की गई, जिनमें से एक को दिखाया गया है 2а (बाएं)।

सुई की निचली ऊंचाई पर, इस उपसरणी के चमकीले तत्व दिशात्मकता दिखाना शुरू कर देते हैं, और दूसरा उपसरणी वी-आकार के तत्व में बदल जाता है (2a, केन्द्रित)।

सुई की न्यूनतम ऊंचाई पर, एएफएम एक छत्ते की संरचना का खुलासा करता है जिसमें दो उप-जालों को जोड़ने वाली स्पष्ट रेखाएं होती हैं, जो एच-बॉन्ड की याद दिलाती हैं (2a, दायी ओर)।

घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत गणना से पता चलता है कि एयू (111) सतह पर विकसित दो-आयामी बर्फ एक इंटरलॉकिंग दो-परत बर्फ संरचना से मेल खाती है (2с), पानी की दो सपाट षट्कोणीय परतों से मिलकर बना है। दोनों शीटों के षट्भुज संयुग्मित हैं, और तल में पानी के अणुओं के बीच का कोण 120° है।

पानी की प्रत्येक परत में, आधे पानी के अणु क्षैतिज (सब्सट्रेट के समानांतर) और दूसरे आधे लंबवत (सब्सट्रेट के लंबवत) स्थित होते हैं, जिसमें एक O-H ऊपर या नीचे की ओर होता है। एक परत में लंबवत रूप से पड़ा पानी दूसरी परत में क्षैतिज पानी को एच-बंध प्रदान करता है, जिसके परिणामस्वरूप पूरी तरह से संतृप्त एच-आकार की संरचना बनती है।

क्वाड्रुपोल (डीजेड 2) टिप का उपयोग करके एएफएम सिमुलेशन (2b) उपरोक्त मॉडल के आधार पर प्रयोगात्मक परिणामों के साथ अच्छा समझौता है (2a). दुर्भाग्य से, क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर पानी की समान ऊंचाई एसटीएम इमेजिंग के दौरान उनकी पहचान को मुश्किल बना देती है। हालाँकि, परमाणु बल माइक्रोस्कोपी का उपयोग करते समय, दोनों प्रकार के पानी के अणु स्पष्ट रूप से भिन्न होते हैं (2a и 2b दाएं) क्योंकि उच्च कोटि का इलेक्ट्रोस्टैटिक बल पानी के अणुओं के अभिविन्यास के प्रति बहुत संवेदनशील होता है।

उच्च क्रम के इलेक्ट्रोस्टैटिक बलों और पाउली प्रतिकारक बलों के बीच बातचीत के माध्यम से क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर पानी की ओ-एच दिशा को निर्धारित करना भी संभव था, जैसा कि लाल रेखाओं द्वारा दिखाया गया है। 2а и 2b (केंद्र)।

छवि #3

छवियों में 3а и 3b (चरण 1) क्रमशः ज़िगज़ैग और आर्मचेयर पंखों की बढ़ी हुई एएफएम छवियां दिखाता है। यह पाया गया कि ज़िगज़ैग किनारा अपनी मूल संरचना को बनाए रखते हुए बढ़ता है, और कुर्सी के आकार के किनारे की वृद्धि के साथ, किनारे को 5756 रिंगों की आवधिक संरचना में बहाल किया जाता है, यानी। जब पसलियों की संरचना समय-समय पर अनुक्रम पेंटागन - हेप्टागन - पेंटागन - हेक्सागोन को दोहराती है।

घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत गणना से पता चलता है कि असंरचित ज़िगज़ैग फिन और 5756 चेयर फिन सबसे स्थिर हैं। 5756 किनारा संयुक्त प्रभावों के परिणामस्वरूप बनता है जो असंतृप्त हाइड्रोजन बांड की संख्या को कम करता है और तनाव ऊर्जा को कम करता है।

वैज्ञानिक याद करते हैं कि हेक्सागोनल बर्फ के बेसल तल आमतौर पर ज़िगज़ैग पसलियों में समाप्त होते हैं, और असंतृप्त हाइड्रोजन बांड के उच्च घनत्व के कारण कुर्सी के आकार की पसलियां अनुपस्थित होती हैं। हालाँकि, छोटी प्रणालियों में या जहाँ जगह सीमित है, कुर्सी के पंख उचित रीडिज़ाइन के माध्यम से अपनी ऊर्जा को कम कर सकते हैं।

जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, जब 120 K पर बर्फ की वृद्धि रोक दी गई थी, तो मेटास्टेबल या ट्रांज़िशन एज संरचनाओं को फ्रीज करने और एसटीएम और एएफएम का उपयोग करके विस्तृत अध्ययन के लिए अपेक्षाकृत लंबे नमूना जीवन को सुनिश्चित करने के लिए नमूने को तुरंत 5 K तक ठंडा कर दिया गया था। सीओ-फंक्शनल माइक्रोस्कोप टिप की बदौलत द्वि-आयामी बर्फ (छवि नंबर 3) की विकास प्रक्रिया का पुनर्निर्माण करना भी संभव हो गया, जिससे मेटास्टेबल और संक्रमण संरचनाओं का पता लगाना संभव हो गया।

ज़िगज़ैग पसलियों के मामले में, कभी-कभी अलग-अलग पेंटागन सीधी पसलियों से जुड़े पाए जाते थे। वे 2 x की आवधिकता के साथ एक सरणी बनाते हुए एक पंक्ति में पंक्तिबद्ध हो सकते हैं ऐस (ऐस द्वि-आयामी बर्फ का जाली स्थिरांक है)। यह अवलोकन यह संकेत दे सकता है कि ज़िगज़ैग किनारों की वृद्धि पेंटागन की आवधिक सरणी के गठन से शुरू होती है (3а, चरण 1-3), जिसमें पेंटागन (लाल तीर) के लिए दो जल जोड़े जोड़ना शामिल है।

इसके बाद, 56665 जैसी संरचना बनाने के लिए पंचकोणों की श्रृंखला को जोड़ा जाता है (3а, चरण 4), और फिर अधिक जल वाष्प जोड़कर मूल ज़िगज़ैग स्वरूप को पुनर्स्थापित करता है।

कुर्सी के आकार के किनारों के साथ स्थिति विपरीत है - पेंटागन की कोई श्रृंखला नहीं है, बल्कि किनारे पर 5656 जैसे छोटे अंतराल अक्सर देखे जाते हैं। 5656 फिन की लंबाई 5756 की तुलना में काफी कम है। ऐसा संभवतः इसलिए है क्योंकि 5656 फिन अत्यधिक तनावग्रस्त है और 5756 की तुलना में कम स्थिर है। 5756 चेयर फिन से शुरू करके, 575 रिंग्स को स्थानीय रूप से दो जोड़कर 656 रिंग्स में बदल दिया जाता है। जल वाष्प (3b, चरण 2)। इसके बाद, 656 वलय अनुप्रस्थ दिशा में बढ़ते हैं, जिससे 5656 प्रकार का किनारा बनता है (3b, चरण 3), लेकिन विरूपण ऊर्जा के संचय के कारण सीमित लंबाई के साथ।

यदि 5656 फिन के षट्भुज में एक पानी जोड़ा जोड़ा जाता है, तो विरूपण आंशिक रूप से कमजोर हो सकता है, और इससे फिर से 5756 फिन का निर्माण होगा (3b, चरण 4).

उपरोक्त परिणाम बहुत सांकेतिक हैं, लेकिन एयू (111) सतह पर जल वाष्प की आणविक गतिशीलता गणना से प्राप्त अतिरिक्त डेटा के साथ उनका समर्थन करने का निर्णय लिया गया।

यह पाया गया कि 2डी डबल-लेयर बर्फ द्वीप सतह पर सफलतापूर्वक और निर्बाध रूप से बने, जो हमारे प्रयोगात्मक अवलोकनों के अनुरूप है।

छवि #4

छवि पर 4а ज़िगज़ैग पसलियों पर पुलों के सामूहिक गठन का तंत्र चरण दर चरण दिखाया गया है।

विवरण के साथ इस अध्ययन पर मीडिया सामग्री नीचे दी गई है।

मीडिया सामग्री संख्या 1

यह ध्यान देने योग्य है कि ज़िगज़ैग किनारे से जुड़ा एक एकल पेंटागन विकास को बढ़ावा देने के लिए स्थानीय न्यूक्लियेशन केंद्र के रूप में कार्य नहीं कर सकता है।

मीडिया सामग्री संख्या 2

इसके बजाय, शुरू में ज़िगज़ैग किनारे पर पेंटागन का एक आवधिक लेकिन असंबद्ध नेटवर्क बनता है, और बाद में आने वाले पानी के अणु सामूहिक रूप से इन पेंटागन को जोड़ने का प्रयास करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप 565-प्रकार की श्रृंखला संरचना का निर्माण होता है। दुर्भाग्य से, ऐसी संरचना इस दौरान नहीं देखी गई है व्यावहारिक अवलोकन, जो इसके बेहद कम जीवनकाल की व्याख्या करता है।

मीडिया सामग्री संख्या 3 और संख्या 4



एक जल युग्म के जुड़ने से 565 प्रकार की संरचना और आसन्न पंचकोण जुड़ जाता है, जिसके परिणामस्वरूप 5666 प्रकार की संरचना का निर्माण होता है।

5666 प्रकार की संरचना पार्श्व रूप से बढ़ती है और 56665 प्रकार की संरचना बनाती है और अंततः पूरी तरह से जुड़े हुए हेक्सागोनल जाली में विकसित होती है।

मीडिया सामग्री संख्या 5 और संख्या 6



छवि पर 4b विकास को कुर्सी की पसली के मामले में दिखाया गया है। टाइप 575 रिंग्स से टाइप 656 रिंग्स में रूपांतरण निचली परत से शुरू होता है, जिससे एक मिश्रित 575/656 संरचना बनती है जिसे प्रयोगों में टाइप 5756 फिन से अलग नहीं किया जा सकता है, क्योंकि केवल दो परत वाली बर्फ की शीर्ष परत की छवि बनाई जा सकती है। प्रयोगों के दौरान.

मीडिया सामग्री संख्या 7

परिणामी पुल 656 5656 पसली के विकास के लिए न्यूक्लिएशन केंद्र बन जाता है।

मीडिया सामग्री संख्या 8

5656 किनारे पर एक पानी के अणु को जोड़ने से अत्यधिक गतिशील अयुग्मित अणु संरचना बनती है।

मीडिया सामग्री संख्या 9

इनमें से दो अयुग्मित पानी के अणु बाद में एक अधिक स्थिर हेप्टागोनल संरचना में संयोजित हो सकते हैं, जो 5656 से 5756 तक रूपांतरण पूरा करता है।

अध्ययन की बारीकियों के साथ अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं देखने की सलाह देता हूं वैज्ञानिकों की रिपोर्ट.

उपसंहार

इस अध्ययन का मुख्य निष्कर्ष यह है कि विकास के दौरान संरचनाओं का देखा गया व्यवहार सभी प्रकार की द्वि-आयामी बर्फ के लिए सामान्य हो सकता है। बाइलेयर हेक्सागोनल बर्फ विभिन्न हाइड्रोफोबिक सतहों पर और हाइड्रोफोबिक कारावास स्थितियों के तहत बनती है, और इसलिए इसे एक अलग 2डी क्रिस्टल (2डी बर्फ I) के रूप में माना जा सकता है, जिसका गठन सब्सट्रेट की अंतर्निहित संरचना के प्रति असंवेदनशील है।

वैज्ञानिक ईमानदारी से कहते हैं कि उनकी इमेजिंग तकनीक अभी तक त्रि-आयामी बर्फ के साथ काम करने के लिए उपयुक्त नहीं है, लेकिन द्वि-आयामी बर्फ के अध्ययन के परिणाम इसके वॉल्यूमेट्रिक सापेक्ष के गठन की प्रक्रिया को समझाने के आधार के रूप में काम कर सकते हैं। दूसरे शब्दों में, यह समझना कि द्वि-आयामी संरचनाएं कैसे बनती हैं, त्रि-आयामी संरचनाओं के अध्ययन के लिए एक महत्वपूर्ण आधार है। इसी उद्देश्य से शोधकर्ता भविष्य में अपनी पद्धति में सुधार करने की योजना बना रहे हैं।

पढ़ने के लिए धन्यवाद, जिज्ञासु बने रहें और आपका सप्ताह मंगलमय हो दोस्तों। 🙂

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स्रोत: www.habr.com